Sciencemag.cz
Doporučujeme
Časové krystaly jsou exotická forma hmoty, kdy systém periodicky osciluje, a to bez dodávání vnějšího zdroje energie (normální krystal má vzor opakující se v prostoru, časový prostor se podobně opakuje v čase; ale má to celé ještě dodatečné podmínky, ne všechno, co by vypadalo jako časový krystal, jím skutečně je; struktura musí mít více stavů s nejnižší energií; proto je samotná existence časových krystalů vlastně zvláštní a nečekaná, vzhledem k zákonům termodynamiky).
Vědci nyní zkombinovali časové krystaly a kvantové počítače. Tým ze Stanford University, Google Quantum AI, Max Planck Institute a Oxford University realizoval časový krystal na kvantovém hardwaru Sycamore od Googlu. Jinak řečeno, kvantový počítač byl využit ne pro samotné počítání, ale jako platforma k realizaci a detekci nových fází hmoty.
„Časové krystaly jsou pozoruhodným příkladem nového typu nerovnovážné kvantové fáze hmoty,“ uvedla hlavní autorka studie Vedika Khemani ze Stanfordu. „Zatímco většina našich znalostí fyziky kondenzovaných látek je založena na rovnovážných systémech, tato nová kvantová zařízení nám poskytují fascinující okno do nových nerovnovážných režimů ve fyzice mnoha těles.“
Základem nového časového krystalu je tzv. Isingův model, systém již delší dobu používaný pro studium různých fyzikálních jevů včetně magnetismu a fázových přechodů. Systém se skládá z mřížky, kde je každé místo obsazeno částicí; ta může být ve dvou stavech, reprezentovaných jako spin nahoru nebo dolů.
Výzkumníkům se podařilo najít stabilní nerovnovážné fáze těchto systémů, ale našli i takovou, kde se spiny částic převracejí mezi vzory, které se v čase opakují – navždy, a to s periodou dvakrát delší, než je perioda pohonu laseru, a vytvářejí tak časový krystal, uvádí průvodní tisková zpráva.
Poznámka PH: Opět úplně laicky, pokud systému dodáváme laserem energii, tak by se nějaké periodické chování mohlo zdát normální. Když budeme postupně házet do vody kameny, budou se tam opakovat vzory vln. Ale tak holt je to jinak.
Tisková zpráva dále ukazuje, co má být na systému tak speciálního. „Periodický pulz laseru vytváří specifický dynamický rytmus. Za normálních okolností by se tanec spinů měl s tímto rytmem synchronizovat, ale v časovém krystalu tomu tak není. Místo toho spiny přecházejí mezi dvěma stavy a dokončí cyklus až poté, co dostanou dva impulzy laseru. To znamená, že je porušena časová translační symetrie systému.“
Jedinečnost časového krystalu spočívá v tom, že jde o mnohačásticový, kolektivní jev (ne kmitající systém dvou částic, řekněme) vykazující takový druh sladěného chování, aniž by do něj přicházela nebo z něj unikala energie (poznámka PH: opět nejasnost – a co ten laser?).
Časový krystal neporušuje žádné fyzikální/termodynamické zákony, nejde ani o perpetuum mobile druhého typu. Entropie zůstává v čase konstantní a odpovídá 2. zákonu termodynamiky ve formulaci, že entropie nikdy neklesá.
Co se týče role kvantového počítače v tomto projektu. Kvantový hardware Google Sycamore byl použit k naprogramování potřebného chování 20 spinů pomocí qubitů. Speciální funkce kvantového počítače současně umožnily potvrdit, že výsledkem byl opravdu časový krystal.
Ve skutečnosti příslušné pulzování neprobíhalo ovšem donekonečna. Kvantové počítače mají totiž omezenou životnost, po nějaké době dojde ke kolapsu vlnové funkce, provázanost (propletení) qubitů se zhroutí a systém skončí v klasickém stavu. Reálně tak šlo pozorovat několik set cyklů. Vědci ale vytvořili speciální protokol, který ovšem během jediného spuštění kvantového počítače („výpočet“ trvající milisekundy) umožnil prozkoumat více než milion stavů časového krystalu. Z druhé strany se tak má ukazovat, že kvantový počítač dokáže analyzovat a překonávat svá vlastní omezení. Jak se ukazuje, kvantové počítače se aktuálně hodí nejenom pro samotné výpočty, ale snad ještě více pro studium jevů spadajících do kvantové fyziky/chemie.
Tato práce vyšla v Nature, v Science byla současně publikována další studie o přípravě časových krystalů od výzkumníků z nizozemské Delft University of Technology. I zde jsou jeho základem qubity (tentokrát v diamantu; procesor Sycamore je založen na supravodivých drátcích a pomocných křemíkových součástkách).
Mi, X et al,Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor, Nature (2021). doi.org/10.1038/s41586-021-04257-w
Zdroj: Nature, Science, Stanford University / Phys.orgčasový krystal
Dobrý den. Co se týče laseru, já bych to chápal asi tak, že pulsy laseru způsobují pouze synchronizaci (i když s 2násobnou periodou) překlápění spinů, avšak vlastní reakce fotonů s (jádry?) elementy systému je bezeztrátová, čili po interakci je vyzářen opět totožný foton se stejnou hybností. Jako jakýsi Rayleighův rozptyl bez rozptylu 🙂 Čímž vlastně systému nedodáváme žádnou energii, ani z něj žádnou neodebíráme.
dekuji, takove vysvetleni dava urcite smysl…