Po raz pierwszy naukowcy połączyli ze sobą dwa kryształy czasoprzestrzenne. Do czego ich użyją?

W tym artykule:

1. Co to są kryształy czasoprzestrzenne?
2. Czy kryształy czasoprzestrzenne można ze sobą łączyć?
3. Czy kryształy czasoprzestrzenne to będą nowe kubity?

Atomy ułożone w regularny, powtarzający się w trzech wymiarach wzór, tworzą kryształ. Kryształem jest na przykład diament. Składa się on z atomów węgla najczęściej układających się w ośmiościany.

By zmienić położenie jakiegokolwiek atomu w obrębie kryształu, trzeba oddziaływać na niego z zewnątrz. Potrzeba do tego energii. To wszystko składa się na koncepcję tradycyjnego kryształu, znaną naukowcom od chwili, gdy odkryto istnienie atomów.

Co to są kryształy czasoprzestrzenne?

Jednak tradycyjne kryształy nie są jedynymi, jakie mogą istnieć. W 2012 roku fizyk Frank Wilczek zauważył, że struktura kryształu może powtarzać się nie tylko w przestrzeni, ale również w czasie. Twór, który powstałby w efekcie takie procesu, nazwał „kryształem czasoprzestrzennym”.

Koncepcja wzbudziła kontrowersje. Zakładała, że kryształ regularnie zmieniałby się, jednak bez dostarczania energii z zewnątrz. Wielu naukowców twierdziło, że nie jest to możliwe. Z tego samego powodu, z jakiego nie może istnieć perpetuum mobile – czyli wiecznie działająca maszyna.

Fizycy po raz pierwszy sfilmowali drgania kryształów czasu

Teraz po kolei będziemy rozszyfrowywać tę informację, tłumacząc sens sukcesu, jakim jest wspólne dzieło naukowców z Instytutu Inteligentnych Systemów im. Maxa Plancka w Stuttgarcie oraz p...

Rok temu jednak okazało się, że kryształy czasoprzestrzenne mogą istnieć w świecie kwantowym. Badacze skonstruowali je wewnątrz należącego do Google’a komputera kwantowego Sycamore. Zestroili jego kubity (czyli podstawowe elementy), a potem wytrącili je z kwantowego stanu. Układ zaczął w regularny sposób zmieniać swoje własności, bez pobierania energii.

Czy kryształy czasoprzestrzenne można ze sobą łączyć?

O krok dalej poszli teraz naukowcy z Uniwersytetu Aalto w Finlandii. Udało im się połączyć ze sobą dwa kryształy czasoprzestrzenne w jeden kwantowy system. Wykorzystali do tego magnony. Są to tzw. kwazicząstki – nie cząstki prawdziwe, ale pewne konstrukty opisujące złożony układ.

Do powstania magnonów posłużył hel-3. To izotop helu, którego jądro składa się z dwóch protonów i jednego neutronu. Naukowcy schłodzili hel-3 do temperatury tylko o dziesięciotysięczną część stopnia wyższej od zera bezwzględnego. W takim chłodzie hel-3 staje się nadciekły, czyli ma zerową lepkość.

Zaczynają wówczas zachodzić w nim efekty kwantowe. Układ kwantowy zmierza do stanu podstawowego (czyli o najmniejszej możliwej energii). Wówczas powstaje gęsta chmura atomów działających jak jeden superatom. W tym stanie powstają kryształy czasoprzestrzenne, składające się z biliardów magnonów. Kiedy takie kryształy znajdują się blisko siebie, wymieniają między sobą magnony. Prowadzi to do pojawienia się oscylacji każdego kryształu pojedynczo. A tym samym powstaje system, który może znajdować się w dwóch stanach.

W fizyce kwantowej obiekt może przyjmować każdy możliwy stan dopóty, dopóki nie zostanie przeprowadzony pomiar. Tym samym układ dwóch kryształów czasoprzestrzennych jest potencjalną podstawową cegiełką, która mogłaby zostać wykorzystana w obliczeniach kwantowych.

Czy kryształy czasoprzestrzenne to będą nowe kubity?

Czy kryształy czasoprzestrzenne mogą być więc kiedyś użyte jako kubity, elementy obliczeniowe komputerów kwantowych? Nie jest to wykluczone. Jednak wcześniej trzeba by pokonać kilka trudności.

Przełom w badaniach nad kryształami czasu. To drzwi do budowy urządzeń kwantowych

Istnienie kryształów czasu, szczególnie fascynującego stanu materii, zostało potwierdzone zaledwie kilka lat temu. Teraz fizycy dokonali kolejnego przełomu – wywołali i zaobserwowali inter...

Po pierwsze, w opisanym wyżej doświadczeniu hel-3 trzeba było schłodzić do ultraniskich temperatur. Po drugie, ważna jest izolacja od otoczenia, co jest niezbędne do poprawności kwantowych obliczeń.

– Kryształy czasoprzestrzenne z opisu wyglądają jak perpetuum mobile, a więc w ogóle nie powinny istnieć – zauważa Samuli Autii, główny autor pracy. – Jednak istnieją i to nawet parami. Wiemy też, że można je wytworzyć nawet w temperaturach pokojowych – dodaje naukowiec.

To wszystko przesłanki dające nadzieję, że kryształy czasoprzestrzenne znajdą kiedyś praktyczne zastosowanie. Wówczas okaże się, czy zrewolucjonizują obliczenia.

Źródło: Nature Communications.

Nasz ekspert

Magdalena Salik

Dziennikarka naukowa i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Pasjami czyta i pisze, miłośniczka literatury popularnonaukowej i komputerowych gier RPG. Więcej: magdalenasalik.wordpress.com