Лазерный мир

Физики из Технического университета Дортмунда (Германия) под руководством профессора Алекса Грейлиха совершили открытие в управлении квантовыми системами. Исследователи доказали, что в одном полупроводниковом материале может одновременно формироваться множество дискретных «кристаллов времени», способных спонтанно синхронизировать свои внутренние колебания. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.

Суть явления и механизм создания

Кристаллы времени — это уникальные физические системы, внутренняя динамика которых периодически повторяется во времени сама по себе, без какого-либо периодического внешнего воздействия.

Чтобы понять, что это, можно представить обычные кристаллы: алмаз, поваренную соль или снежинку. Их атомы выстроены в строгом порядке, который повторяется в пространстве — как идеальный узор на обоях или плитка на полу. Кристаллы времени (или временные кристаллы) устроены точно так же, но узор у них повторяется не в пространстве, а во времени. Его внутреннее состояние постоянно меняется (пульсирует, «тикает» как часы), но в конце каждого цикла он возвращается в исходную точку.

Как они устроены?

• Ученые берут группу крошечных квантовых частиц (например, атомов или электронов) и сильно их охлаждают.
• Частицы связываются друг с другом в единую систему.
• Физики дают им один начальный «толчок» лазером.
• После этого частицы начинают спонтанно менять свои свойства (например, переворачивать свои магнитные полюса туда-обратно) через строго равные промежутки времени. Сами по себе, без внешних воздействий.

Зачем они нужны?

В обычной жизни мы их не встретим, они существуют только в лабораториях при сверхнизких температурах. Но на основе таких кристаллов времени можно будет создавать:

• Сверхточные часы, которые никогда не собьются.
• Квантовые компьютеры. Частицы в кристаллах времени «защищают» друг друга от внешних помех, а это именно то, что нужно для создания стабильной квантовой памяти.

Дружное вращение

В январе 2024 года дортмундские ученые уже демонстрировали непрерывный кристалл времени в полупроводнике, стабильно осциллировавший (совершающий колебания) в течение нескольких часов. Теперь они вывели технологию на новый уровень.

В качестве экспериментальной среды физики использовали арсенид галлия, с добавлением небольшого количества индия и кремния для создания локализованных электронов. При экстремально низких температурах, близких к абсолютному нулю (около −270 °C), каждый такой электрон начинает взаимодействовать примерно с миллионом окружающих его ядерных спинов (собственный момент вращения атомного ядра, его внутреннее квантовое свойство).

Процесс запускается лазером накачки, который выстраивает спины электронов. Те, в свою очередь, передают поляризацию ядерным спинам (заставляют окружающие их атомные ядра повернуться своими магнитными полюсами в одну конкретную сторону). В слабом магнитном поле эта поляризация начинает вращаться.

Возникающая обратная связь между спинами электронов и ядер поддерживает непрерывные колебания, а второй лазер фиксирует эти осцилляции.

Почему это важно

Открытие доказывает возможность нелокальной (без прямого физического контакта) связи между пространственно разделенными спиновыми системами. В перспективе это позволит создавать управляемые сети квантовых осцилляторов, что может стать технологическим фундаментом для создания принципиально новых устройств обработки информации и спинтроники (электроника нового поколения, использущая магнитные свойства частиц).

Источник: https://news.rambler.ru/tech/56893017-shag-k-kvantovomu-internetu-kristally-vremeni-nauchili-sinhronizirovatsya/