kozmos.hr
Znanost

‘Vremenski kristali’ uvod u novu eru kvantnog računanja

Izvor: Pixabay/CC0 Public Domain
objavljeno

Uspješno uparivanje dva ‘vremenska kristala’ kroz milijarde razdoblja gibanja atoma potencijalno predstavlja novi važan korak u razvoju kvantnih računala.

‘Vremenski kristali’

Spajanje dvaju ‘vremenskih kristala’ (eng. time crystals) u superfluid helija-3 jedva jedan desettisućiti dio stupnja iznad apsolutne nule mogao bi biti veliki korak prema novoj vrsti kvantnog računala. Naime, vremenski kristali su bizarne strukture atoma čije je postojanje bilo predviđeno tek 2012. godine, a eksperimentalni dokaz uslijedio je nekoliko godina kasnije.

U normalnom kristalu, poput dijamanta ili soli, atomi su raspoređeni u prostorni uzorak koji se redovito ponavlja – rešetka ili sličan okvir. I poput većine materijala, kada su atomi u svom osnovnom stanju (njihovoj najnižoj mogućoj razini energije) prestaju se pomicati. S druge strane vremenski kristali sastoje se od atoma koji se ponavljaju u vremenu, a ne u prostoru, osciliraju naprijed-natrag ili se okreću, čak i u svom osnovnom stanju. Oni mogu održavati ovo kretanje trajno, bez potrebe za unosom energije ili gubljenja energije u tom procesu.

Zašto su potencijalno važni?

Zahvaljujući mogućnosti trajnog kretanja ovi vremenski kristali mogu prkositi konceptu poznatom kao entropija. Drugi zakon termodinamike opisuje entropiju kao način na koji bilo koji sustav s vremenom postaje sve neuređeniji. Primjerice orbite planeta oko Sunca. Radi jednostavnosti, zamišljamo ih kako se kreću po satu, uvijek se vraćaju na isto mjesto u isto vrijeme u svojim orbitama. No u stvarnosti su zapravo veoma ‘neuredne’: gravitacija drugih planeta, ili zvijezda u prolazu, može povući i povući planete, čineći suptilne promjene u njihovim orbitama. Stoga su orbite planeta inherentno kaotične te mala promjena u jednom može potencijalno imati velike posljedice za sve njih. Sustav s vremenom postaje neuređen – tj. entropija sustava raste.

Vremenski kristali mogu negirati učinke entropije zbog kvantno-mehaničkog principa poznatog kao ‘many object localization’. Točnije, ako jedan atom u vremenskom kristalu osjeti silu, ona utječe samo na taj atom. Stoga se promjena smatra lokaliziranom, a ne globalnom (u cijelom sustavu). Kao rezultat toga, sustav ne postaje kaotičan i dopušta da se ponavljajuće oscilacije, teoretski, neprestano nastavljaju.

Korištenje superfluida

„Svi znaju da su trajni motori nemogući. Međutim, u kvantnoj fizici, vječno kretanje je u redu sve dok držimo oči zatvorene,“ “rekao je Samuli Autti, glavni autor nove studije koja govori o ovim kristalima. Autti u ovoj izjavi aludira na Heisenbergovo načelo neodređenosti – tj. kada se kvantni sustav promatra i mjeri, njegova kvantna valna funkcija kolabira. Zbog svoje kvantnomehaničke prirode, vremenski kristali mogu raditi sa 100% učinkovitosti samo kada su potpuno izolirani od svog okruženja. Ovaj zahtjev ograničava vrijeme koje se može promatrati dok se ne pokvare kao rezultat kolapsa valne funkcije.

Međutim, Auttijev tim uspio je povezati dva vremenska kristala hlađenjem određene količine helija-3, izotopa helija. Helij-3 je poseban jer jednom ohlađen na dio iznad apsolutne nule (−273.15 °C) postaje superfluid, što mnogi materijali ne mogu učiniti. U suprafluidima viskoznost je nula što znači da se trenjem ne gubi kinetička energija. To posljedično znači da se gibanja – poput gibanja atoma u vremenskom kristalu – mogu nastaviti neograničeno.

Slika prikazuje znanstveni aparat korišten pri hlađenju superfluidnog helija-3 (©Aalto University, Mikko Raskinen).
Slika prikazuje znanstveni aparat korišten pri hlađenju superfluidnog helija-3 (©Aalto University, Mikko Raskinen).

Istraživanje i spoznaje

Tim je koristio ova svojstva te manipulirao atomima helija-3 kako bi stvorio dva vremenska kristala koji su međusobno djelovali. Nadalje, promatrali su ovo uparivanje vremenskih kristala u rekordnom vremenu, oko 1000 sekundi (gotovo 17 minuta), što iako ne zvuči možda puno na prvu zapravo znači da su promatrali milijarde razdoblja oscilirajućeg ili rotirajućeg gibanja atoma prije nego što je vremenska valna funkcija kristala propala.

Njihovo otkriće otvara nove mogućnosti za istraživanja i razvoj potpuno funkcionalnog kvantnog računala. Dok su bitovi normalnog računala binarni – 1 ili 0, tj. uključeni ili isključeni – brzina obrade kvantnih računala je mnogo brža jer koriste ‘kubitove’, koji mogu biti 1 i 0, uključeni i isključeni u isto vrijeme. Jedan od načina da se izgradi kvantno računalo bilo bi povezivanje bezbroj vremenskih kristala, od kojih je svaki dizajniran da djeluje kao kubit. Stoga je ovaj prvi eksperiment povezivanja dvaju vremenskih kristala stvorio ‘osnovni građevni blok’ kvantnog računala.

Ono što je za kraj važno spomenuti jest da su prethodni eksperimenti već pokazali da kristali u određenom vremenu mogu raditi na sobnoj temperaturi – tj. ne moraju se hladiti na gotovo apsolutnu nulu, što njihovu konstrukciju čini još lakšom.

Znanstvenici pomoću kvantnog računala otkrivaju što se nalazi unutar crne rupe te razmatraju kvantnu gravitaciju

Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram

t.me/kozmoshr

Izvori:

Samuli Autti et al., „Nonlinear two-level dynamics of quantum time crystals,“ Nature Communications 13 (2022).

Keith Cooper (11. lipnja 2022.), „’Time crystals’ work around laws of physics to offer new era of quantum computing,“ space.com (pristup 11. lipnja 2022).

Student povijesti koji u slobodno vrijeme voli čitati i pisati o svojim najdražim temama - povijesti, svemiru i astronomiji.