Vremenski kristali donose novu eru kvantnog računarstva
Povezivanje dva “vremenska kristala” u superfluidu helijuma-3 jedva desetihiljaditi deo stepena iznad apsolutne nule moglo bi da bude ogroman korak ka novoj vrsti kvantnog računara.
Formirani unutar superfluidnog helijuma-3, vremenski kristali su posmatrani rekordnih 17 minuta
Vremenski kristali su bizarne strukture atoma, čije je postojanje bilo predviđeno tek 2012. godine, a eksperimentalni dokaz usledio je nekoliko godina kasnije. U normalnom kristalu, kao što je dijamant ili so, atomi su raspoređeni u prostorni obrazac koji se redovno ponavlja – rešetka ili sličan okvir. I kao i većina materijala, kada su atomi u svom osnovnom stanju – njihovom najnižem mogućem energetskom nivou – prestaju da se pomeraju.
Vremenski kristali, s druge strane, sastoje se od atoma koji se ponavljaju u vremenu, a ne u prostoru, osciliraju napred-nazad, ili se okreću, čak i u svom osnovnom stanju. Oni mogu da održavaju ovo kretanje neprekidno, bez potrebe za unosom energije ili gubljenja energije u procesu. Čineći to, ovi vremenski kristali mogu prkositi konceptu poznatom kao entropija. Drugi zakon termodinamike opisuje entropiju kao način na koji bilo koji sistem vremenom postaje neuređeniji. Kao primer, razmotrite orbite planeta oko Sunca. Radi jednostavnosti, zamišljamo ih kako se kreću po satu, uvek se vraćaju na isto mesto u isto vreme u svojim orbitama.
U stvarnosti, međutim, stvari su neuredne: gravitacija drugih planeta, ili zvezda u prolazu, može da privuče i povuče planete, praveći suptilne promene u njihovim orbitama. Dakle, orbite planeta su inherentno haotične. Mala promena može potencijalno imati velike posledice za sve njih. Sistem vremenom postaje neuređen — entropija sistema se povećava. Vremenski kristali mogu negirati efekte entropije zbog kvantno-mehaničkog principa poznatog kao „lokalizacija mnogih objekata“. Ako jedan atom u vremenskom kristalu oseti silu, ona utiče samo na taj atom. Zbog toga se promena smatra lokalizovanom, a ne globalnom (u celom sistemu).
Kao rezultat, sistem ne postaje haotičan i dozvoljava ponavljajuće oscilacije da se, teoretski, nastavljaju zauvek. „Svi znaju da su mašine sa perpetualnim kretanjem motora nemoguće“, rekao je Samuli Auti, naučni saradnik i predavač fizike na Univerzitetu Lancaster u Ujedinjenom Kraljevstvu. „Međutim, u kvantnoj fizici, večno kretanje je u redu sve dok držimo oči zatvorene”. Auti, koji je vodio istraživanje, poziva se na Hajzenbergov princip nesigurnosti, koji aludira na to kako, kada se kvantni sistem posmatra i meri, njegova kvantna talasna funkcija kolabira. Zbog svoje kvantno mehaničke prirode, vremenski kristali mogu da rade sa 100% efikasnosti samo kada su potpuno izolovani od svog okruženja. Ovaj zahtev ograničava vreme tokom kojeg se mogu posmatrati dok se potpuno ne pokvare kao rezultat kolapsa talasne funkcije.
Međutim, Auttijev tim je uspeo da poveže dva vremenska kristala hlađenjem određene količine helijuma-3, izotopa helijuma. Helijum-3 je poseban jer, kada se ohladi na delić iznad apsolutne nule (minus 459,67 stepeni Farenhajta, ili minus 273 stepena Celzijusa), izotop postaje superfluid, što mnogi materijali ne mogu da urade. U superfluidu, viskoznost je nula, tako da se nikakva kinetička energija ne gubi zbog trenja, što omogućava da se kretanja — kao što su ona atoma u vremenskom kristalu — nastave neograničeno. Autijev tim, koji je radio na Univerzitetu Alto u Finskoj, zatim je manipulisao atomima helijuma-3 da bi stvorio dva vremenska kristala koji su delovali jedan na drugog. Štaviše, posmatrali su ovo uparivanje vremenskih kristala u rekordnom vremenu, oko 1.000 sekundi (skoro 17 minuta), što je jednako milijardama perioda oscilirajućeg ili okretnog kretanja atoma, pre nego što se vremenska talasna funkcija kristala raspala.
Nalazi stvaraju obećavajuću liniju istraživanja za razvoj potpuno funkcionalnog kvantnog računara. Dok su bitovi normalnog računara binarni – 1 ili 0, uključeni ili isključeni – brzina obrade kvantnih računara je mnogo brža jer koriste ‘kubitove’, koji mogu biti i 1 i 0, uključeni i isključeni u isto vreme. Jedan od načina da se napravi kvantni računar bio bi povezivanje bezbroj vremenskih kristala, od kojih je svaki dizajniran da deluje kao kubit. Stoga je ovaj prvi eksperiment povezivanja dva vremenska kristala stvorio osnovni građevinski blok kvantnog računara. Prethodni eksperimenti su već pokazali da kristali u određenom vremenu mogu da rade na sobnoj temperaturi, umesto da se moraju hladiti na skoro apsolutnu nulu, što njihovu konstrukciju čini još lakšom. Sledeći zadatak, rekao je Autijev tim, je da pokaže da logic gate operacije, koje su funkcije koje omogućavaju računaru da obrađuje informacije, mogu da rade između dva ili više vremenskih kristala. Istraživanje je objavljeno 2. juna u časopisu Nature Communications.
Izvor: Space
