Fizikantët lidhin dy kristale kohore në një eksperiment në dukje të pamundur

Fizikantët kanë krijuar një sistem prej dy kristalesh kohore të lidhura, të cilat janë sisteme kuantike të çuditshme që janë të mbërthyer në një lak të pafund për të cilin ligjet normale të termodinamikës nuk zbatohen. Duke lidhur dy kristale kohore së bashku, fizikantët shpresojnë të përdorin teknologjinë për të ndërtuar përfundimisht një lloj të ri kompjuteri kuantik.

“Është një privilegj i rrallë të eksplorosh një fazë krejtësisht të re të materies,” tha Samuli Autti, shkencëtari kryesor në projekt nga Universiteti Lancaster në Mbretërinë e Bashkuar, për Live Science në një email.

Kristalet normale i hasim gjatë gjithë kohës në jetën e përditshme, nga akulli në një koktej e deri te diamantet në bizhuteri. Ndërsa kristalet janë të bukur, për një fizikan ato përfaqësojnë një ndarje të simetrive normale të natyrës.

Ligjet e fizikës janë simetrike në hapësirë. Kjo do të thotë se ekuacionet themelore të gravitetit ose elektromagnetizmit ose mekanikës kuantike zbatohen në mënyrë të barabartë në të gjithë vëllimin e universit. Ata gjithashtu punojnë në çdo drejtim. Pra, një eksperiment laboratorik që rrotullohet 90 gradë duhet të prodhojë të njëjtat rezultate (të gjitha të tjerat janë të barabarta, natyrisht).

Por në një kristal, kjo simetri e mrekullueshme prishet. Molekulat e një kristali rregullohen në një drejtim të preferuar, duke krijuar një strukturë hapësinore të përsëritur. Në zhargonin e fizikantëve, një kristal është një shembull i përsosur i “thyerjes spontane të simetrisë” – ligjet themelore të fizikës mbeten simetrike, por rregullimi i molekulave nuk është.

Në vitin 2012, fizikani Frank Wilczek, në Institutin e Teknologjisë në Massachusetts, vuri re se ligjet e fizikës kanë gjithashtu një simetri kohore. Kjo do të thotë se çdo eksperiment i përsëritur në një kohë të mëvonshme duhet të prodhojë të njëjtin rezultat. Wilczek bëri një analogji me kristalet normale, por në dimensionin e kohës, duke e quajtur këtë simetri spontane që thyen në kohë një kristal kohor. Disa vjet më vonë, fizikantët ishin në gjendje të ndërtonin më në fund një të tillë.

“Një kristal kohe vazhdon të lëvizë dhe përsëritet periodikisht në kohë në mungesë të inkurajimit të jashtëm,” tha Autti. Kjo është e mundur sepse kristali i kohës është në gjendjen e tij më të ulët të energjisë. Rregullat bazë të mekanikës kuantike parandalojnë që lëvizja të bëhet plotësisht e palëvizshme, dhe kështu kristali i kohës mbetet “i mbërthyer” në ciklin e tij të pafund.

“Kjo do të thotë se ato janë makina me lëvizje të përhershme, dhe për këtë arsye të pamundura,” vuri në dukje Autti.

Ligjet e termodinamikës sugjerojnë se sistemet në ekuilibër priren drejt më shumë entropisë ose çrregullimit – një filxhan kafeje e ulur do të ftohet gjithmonë, një lavjerrës përfundimisht do të ndalojë së lëkunduri dhe topin që rrotullohet në tokë përfundimisht pushon. Por një kristal kohe e kundërshton këtë, ose thjesht e injoron atë, sepse rregullat e termodinamikës duket se nuk zbatohen për të. Në vend të kësaj, kristalet e kohës i nënshtrohen mekanikës kuantike, rregullat që rregullojnë kopshtin zoologjik të grimcave nënatomike.

“Në fizikën kuantike, një makinë me lëvizje të përhershme është e mirë për sa kohë që ne i mbajmë sytë mbyllur, dhe ajo duhet të fillojë të ngadalësohet vetëm nëse vëzhgojmë lëvizjen,” tha Autti, duke iu referuar faktit se gjendjet mekanike kuantike ekzotike kërkohen për kohën. kristalet nuk mund të vazhdojnë të veprojnë pasi ndërveprojnë me mjedisin e tyre (për shembull, nëse i vëzhgojmë ato).

Kjo nënkupton që fizikanët nuk mund të vëzhgojnë drejtpërdrejt kristalet e kohës. Në momentin që ata përpiqen të shikojnë një të tillë, rregullat kuantike që i lejojnë ata të ekzistojnë prishen dhe kristali i kohës ndalet. Dhe ky koncept shtrihet përtej vëzhgimit: Çdo ndërveprim mjaft i fortë me mjedisin e jashtëm që zbërthen gjendjen kuantike të kristalit të kohës do ta bëjë atë të pushojë së qeni një kristal kohor.

Këtu hyri ekipi i Autti, duke u përpjekur të gjente një mënyrë për të bashkëvepruar me një kristal kuantik kohor përmes vëzhgimeve klasike. Në shkallën më të vogël, mbretëron fizika kuantike. Por insektet dhe macet, planetët dhe vrimat e zeza përshkruhen më mirë nga rregullat deterministe të mekanikës klasike.

“Kontinuumi nga fizika kuantike në fizikën klasike mbetet keq i kuptuar. Mënyra se si njëri bëhet tjetri është një nga misteret e jashtëzakonshme të fizikës moderne. Kristalet e kohës përfshijnë një pjesë të ndërfaqes midis dy botëve. Ndoshta ne mund të mësojmë se si të heqim ndërfaqen duke studiuar kristalet e kohës në detaje, “tha Autti.

Në studimin e ri, Autti dhe ekipi i tij përdorën “magnon” për të ndërtuar kristalin e tyre të kohës. Magnonët janë “quasigrimca”, të cilat dalin në gjendjen kolektive të një grupi atomesh. Në këtë rast, ekipi i fizikantëve mori helium-3 – një atom helium me dy protone, por vetëm një neutron – dhe e ftohën atë në një shkallë të dhjetë të mijëtën mbi zero absolute. Në atë temperaturë, helium-3 u shndërrua në një kondensatë Bose-Einstein, ku të gjithë atomet ndajnë një gjendje të përbashkët kuantike dhe punojnë në harmoni me njëri-tjetrin.

Në atë kondensatë, të gjitha rrotullimet e elektroneve në helium-3 u lidhën dhe punuan së bashku, duke gjeneruar valë të energjisë magnetike, magnonët. Këto valë u hodhën përpara dhe mbrapa përgjithmonë, duke i bërë ato një kristal kohe.

Ekipi i Autti mori dy grupe magnonësh, secili që vepronte si kristalin e vet të kohës, dhe i afroi mjaftueshëm për të ndikuar njëri-tjetrin. Sistemi i kombinuar i magnonëve veproi si kristal i njëhershëm me dy gjendje të ndryshme.

Ekipi i Autti shpreson se eksperimentet e tyre mund të sqarojnë marrëdhëniet midis fizikës kuantike dhe asaj klasike. Qëllimi i tyre është të ndërtojnë kristale kohore që ndërveprojnë me mjediset e tyre pa u shpërbërë gjendjet kuantike, duke lejuar që kristali i kohës të vazhdojë të funksionojë ndërsa përdoret për diçka tjetër. Kjo nuk do të thotë energji e lirë – lëvizja e lidhur me një kristal kohor nuk ka energji kinetike në kuptimin e zakonshëm, por mund të përdoret për llogaritjen kuantike.

Të kesh dy gjendje është e rëndësishme, sepse kjo është baza për llogaritjen. Në sistemet kompjuterike klasike, njësia bazë e informacionit është një bit, i cili mund të marrë gjendjen 0 ose 1, ndërsa në llogaritjen kuantike, çdo “qubit” mund të jetë në më shumë se një vend në të njëjtën kohë, duke lejuar shumë më tepër llogaritje. pushtet.

“Kjo mund të nënkuptojë që kristalet e kohës mund të përdoren si një bllok ndërtimi për pajisjet kuantike që punojnë edhe jashtë laboratorit. Në një sipërmarrje të tillë, sistemi me dy nivele që ne kemi krijuar tani do të ishte një bllok themelor ndërtimi, “tha Autti.

Kjo punë aktualisht është shumë larg nga një kompjuter kuantik që funksionon, por hap rrugë interesante kërkimi. Nëse shkencëtarët mund të manipulojnë sistemin kristal me dy kohë pa shkatërruar gjendjet e tij kuantike, ata mund të ndërtojnë potencialisht sisteme më të mëdha të kristaleve të kohës që shërbejnë si pajisje të vërteta llogaritëse.