Először sikerült időkristályokat megfigyelni

Egy időkristályokat felépítő részecskék folyamatosan váltanak időben és térben.

Az időkristályok rejtélyes részecske konfigurációk, amik folyton váltanak és felhasználhatóak a kvantumszámítógépekhez - írja Stephan Rachel, a Melbourne Egyetem docense az egyetem honlapján.

Közel állnak ahhoz, hogy ellenszegüljenek a fizika törvényeinek

Az időkristály nem valamiféle sci-fi szerű fantasztikum, vagy eszköz az időutazáshoz. Az időkristályok nagyon is valósak, bár egy kicsit rejtélyesek. Míg az időkristály tulajdonságai megegyeznek a kristályok bizonyos atomi tulajdonságaival, egyáltalán nem olyanok, mint egy normál kristály, amit láthatunk és megérinthetünk.

Egy davemaoite kristályokat tartalmazó gyémánt Forrás: https://www.newscientist.com/article/2296899-new-mineral-davemaoite-discovered-inside-a-diamond-from-earths-mantle/

Az időkristályok tulajdonképpen részecskék olyan egyedülálló elrendeződései, amik folyamatos és ismétlődő mozgásban vannak térben és időben. Most első ízben egy ausztrál kutatócsoport képes volt megfigyelni egy időkristályt működés közben.

Az időkristályok az anyag új fázisai – egyensúlyi vagy szilárd állapot helyett –, és örökké váltanak a különböző állapotok között. Ráadásul közel vannak ahhoz, hogy ellenszegüljenek a fizika törvényeinek, mivel folytonos mozgásban vannak. Az időkristályok egyben új memóriaeszköz alapjai lehetnek a jövőbeli kiegészítő kvantumszámítógépekhez.

Az időkristályokat felépítő részecskék folyamatosan váltanak időben és térben Forrás: https://pursuit.unimelb.edu.au/articles/observing-time-crystals

A szilárd kristályok szerkezetét - mint amilyen például a kősó vagy a gyémánt - az atomjaik térbeli elrendeződése és ismétlődése határozza meg. Valójában majdnem minden szilárd anyag bizonyos szempontból kristályos szerkezetű.

Összehasonlítva ezekkel a mindennapi „tér kristályokkal" egy időkristályt, ez utóbbi térben és időben ismétlődő részecskéknek a rendszere. Ráadásul, egy időkristály spontán és folyamatosan vált két eltérő konfiguráció között, oda-vissza.

Ez elős hallásra talán ártalmatlanul hangzik, pedig csaknem a fizika törvényeinek megsértését jelenti, ami azt állítja, hogy az mozgási energia majdnem mindig szét fog szóródni az entrópia növekedésének folyamatában. Azért csak majdnem, mert nem tudunk energiát kivonni az időkristályok folytonos mozgásából, tehát nincs energia szétszóródás.

A flip flop kvantumbitek közötti összefonódás művészi ábrázolása Forrás: Tony Melov/UNSW

Ez szemléletetésképpen olyan, mint amikor sütünk, és egy keverőtál egyik felét megtöltjük liszttel, a másik felét pedig cukorral. Amikor összekeverjük, az entrópia nőni fog és "rendetlenséget" okoz a két külünféle anyag között, tehát nem lesz többet lisztünk és cukrunk, hanem a kettőből létrejön egy keverék.

Most képzeljük el a lehetetlent, hogy az entrópia nem növekszik.

Nem számít milyen hosszan keverjük össze a kettőt, az összes liszt ott marad az edény egyik részén, a cukor pedig a másik oldalán. Egy időkristály éppen olyan rendszer, ahol - a fenti hasonlatnál maradva -, a liszt és a cukor nem keveredik, azaz az entrópia állandó marad. Ez az, amiért a fizikusok izgatottak az időkristályok miatt.

Rendkívül fontosak lehetnek a jövő kvantumszámítógépeihez

Egy időkristály építése azonban bonyolult feladat, mert igen sokféle követelménynek kell teljesülnie. Hogy elkerüljük a terminalizációt, egy időkristály egyes komponenseit el kell különíteni a környezettől, különben a termális vibrációk mindig le fogják rombolni az időkristály rendszerét.

Az örökmozgás elvileg lehetetlen mivel az energia szétszóródik, de furcsán egy időkristály komponensei örökké váltja a konfigurációkat. Forrás: https://pursuit.unimelb.edu.au/articles/observing-time-crystals

Tavaly egy több mint 100 szakemberből álló csapat a Googletól valamint számos egyetemről volt az első, akik létrehoztak egy időkristályt kvantumszámítógép alkalmazásával. Eredményüket a Nature magazinban publikálták novemberben. Ők épp a Melbourne Egyetem kutatói előtt jártak, akiknek márciusban jött ki a hasonló tárgyú dolgozatuk. Azonban a Melbourn Egyetemen két csapat is képes volt megfigyelni az időkristályokat.

Mint az időkristályok, a kvantumszámítógépek is a részecskék egyedülálló rendszerét alkalmazzák ahhoz, hogy létrehozzanak egy olyan kvantumállapotot, ami adatfeldolgozásra használható.

Eddig már különböző prototípusokat építettek, de van egy olyan törékeny kvantumállapot izolálására használt közös technika, ami ezt rendkívül alacsony hőmérsékleten tartja.

Ha a kvantum véletlenszerűség illúzió, lehet, hogy robosztusabb kvantumszámítógépeket tudunk készíteni. Forrás: https://www.newscientist.com/article/mg25033340-700-is-everything-predetermined-why-physicists-are-reviving-a-taboo-idea/

Az IMB ingyenes online hozzáférést nyújt a saját kvantumszámítógépek szekcióihoz, de ahhoz, hogy saját időkristályukat megépítsék, nagyobb hozzáférésre volt szüksége a melbourni csapatnak, amelyet az IBM Kvantum Csomópontján (IBM's Quantum Hub) tudtak biztosítani a Melbourne Egyetemen. Ez hozzáférést nyújt az IBM kvantumszámítógép legjobb teljesítményű szekcióihoz.

A kvantumszámítógépek egy feltörekvő eszközök az időkristályok jobb tanulmányozásához. Forrás: https://pursuit.unimelb.edu.au/articles/observing-time-crystals

Míg az IBM kvantumszámgépén végzett a kvantum szimuláció „zajos" hibákkal vagy interferenciával terhelt – hiszen minden jelenlegi kvantumszámítógép még csak prototípus –, mégis képesek voltak megfigyelni egy időkristályt, amelyben a kvantumbitek konfigurációja folyamatosan ismétlődött.

Ez az egzotikus kvantumrendszer önmagában is lenyűgöző, de van egy különlegesen jelentős felhasználásai lehetősége az időkristályokat illetően. Mivel a konfiguráció folyamatosan ismétlődik, ezért a rendszer sosem veszti el a memóriáját,

azaz, sose felejti el ezt a kezdeti állapotot. Mindez azt jelenti, hogy az időkristályok egy tökéletes kvantummemória eszközt jelenthetnek a jövőben.

(Forrás: University of Melbourne)