Fysikere skaber tidskrystaller:Ny form for stof kan være nøglen til udvikling af kvantemaskiner

Harvard-fysikere har skabt en ny form for stof - kaldet en tidskrystal - som kunne give vigtig indsigt i kvantesystemernes mystiske adfærd.

Traditionelt set, krystaller - som salt, sukker eller endda diamanter - er simpelthen periodiske arrangementer af atomer i et tredimensionelt gitter.

Tidskrystaller, på den anden side, tag den forestilling om periodisk arrangerede atomer og tilføj en fjerde dimension, tyder på, at - under visse forhold - de atomer, som nogle materialer kan udvise periodisk struktur over tid.

Ledet af professorer i fysik Mikhail Lukin og Eugene Demler, et team bestående af post-doc-stipendiater Renate Landig og Georg Kucsko, Junior Fellow Vedika Khemani, og fysikafdelingens kandidatstuderende Soonwon Choi, Joonhee Choi og Hengyun Zhou byggede et kvantesystem ved hjælp af et lille stykke diamant indlejret med millioner af urenheder på atomare skala kendt som nitrogen-vacancy (NV) centre. De brugte derefter mikrobølgeimpulser til at "sparke" systemet ud af ligevægt, får NV-centrets spins til at vende med præcist timede intervaller - en af ​​nøglemarkørerne for en tidskrystal. Arbejdet er beskrevet i et papir udgivet i Natur i marts.

Andre medforfattere til undersøgelsen er Junichi Isoya, Shinobu Onoda, og Hitoshi Sumiya fra University of Tsukuba, Takasaki Advanced Research Institute og Sumitomo, Fedor Jelezko fra University of Ulm, Curt von Keyserlingk fra Princeton University og Norman Y. Yao fra UC Berkeley.

Men skabelsen af ​​en tidskrystal er ikke vigtig, blot fordi den beviser, at de tidligere kun teoretiske materialer kan eksistere, Lukin sagde, men fordi de tilbyder fysikere et fristende vindue til adfærden af ​​sådanne ude af ligevægtssystemer.

"Der er nu bredt, igangværende arbejde med at forstå fysikken i ikke-ligevægts kvantesystemer, " sagde Lukin. "Dette er et område, der er af interesse for mange kvanteteknologier, fordi en kvantecomputer dybest set er et kvantesystem, der er langt væk fra ligevægt. Det er meget på forskningsfronten... og vi ridser egentlig bare i overfladen."

Men selvom forståelse af sådanne ikke-ligevægtssystemer kan hjælpe med at lede forskere ned ad vejen til kvantecomputere, teknologien bag tidskrystaller kan også have mere kortsigtede anvendelser.

"Et specifikt område, hvor vi mener, at dette kan være nyttigt, og dette var en af ​​vores oprindelige motiver for dette arbejde, er i præcisionsmåling, " sagde Lukin. "Det viser sig, hvis du forsøger at bygge ... f.eks. en magnetfeltsensor, du kan bruge NV-center spins, " sagde han. "Så det er muligt, at disse ikke-ligevægtstilstande af stof, som vi skaber, kan vise sig at være nyttige."

Forestillingen om, at sådanne systemer overhovedet kunne bygges, imidlertid, virkede i første omgang usandsynligt. Faktisk flere forskere (navne er Patrick Bruno, Haruki Watanabe, Masaki Oshikawa) gik så langt som til at bevise, at det ville være umuligt at skabe en tidskrystal i et kvantesystem, der var i ligevægt.

"De fleste ting omkring os er i ligevægt, " forklarede Lukin. "Det betyder, at hvis du har en varm krop og en kold krop, hvis du bringer dem sammen, deres temperatur udlignes. Men ikke alle systemer er sådan."

Et af de mest almindelige eksempler på et materiale, der er ude af ligevægt, han sagde, er noget mange mennesker bruger til daglig - diamant.

En krystalliseret form for kulstof, der dannes under intens varme og tryk, diamant er usædvanlig, fordi den er metastabil, hvilket betyder, at når den først adopterer den krystalformation, det vil forblive sådan, selv efter at varmen og trykket er fjernet.

Det er først for ganske nylig, Lukin sagde, at forskere begyndte at indse, at ikke-ligevægtssystemer - især dem kendt som "drevne" systemer, som forskere kan "sparke" med periodiske energiimpulser, kan udvise karakteristika af en tidskrystal.

Et af disse kendetegn, han sagde, er, at krystallens respons over tid vil forblive robust med hensyn til forstyrrelser.

"En solid krystal er stiv...så hvis du trykker på den, måske ændrer afstanden mellem atomer sig lidt, men selve krystallen overlever, " sagde han. "Idéen med en tidskrystal er at have den type orden i et tidsdomæne, men den skal være robust."

En anden vigtig ingrediens er typisk, hvis du bliver ved med at skubbe et system væk fra ligevægt, begynder det at varme op, men det viser sig, at der er en klasse af systemer, der er modstandsdygtige over for denne opvarmning, " tilføjede Lukin. "Det viser sig, at tidskrystaleffekten er stærkt relateret til denne idé om, at et system er spændt, men det absorberer ikke energi."

At bygge et sådant system, Lukin og kolleger begyndte med et lille stykke diamant, som var indlejret med så mange NV-centre, at det så sort ud.

"Vi udsætter den diamant for mikrobølgeimpulser, som ændrer orienteringen af ​​NV-centrenes spins, " forklarede Lukin. "Det tager dybest set alle de spin, der peger opad, og skruer dem ned, og en næste puls skruer dem op igen."

For at teste systemets robusthed, Lukin og kolleger varierede timingen af ​​pulserne for at se, om materialet ville fortsætte med at reagere som en tidskrystal.

"Hvis du ikke orienterer alle spin helt op eller ned hver gang, så meget hurtigt, du vil ende op med et fuldstændig tilfældigt system, " sagde Lukin. "Men interaktionerne mellem NV-centrene stabiliserer responsen:de tvinger systemet til at reagere med jævne mellemrum, tidskrystallinsk måde."

Sådanne systemer kan i sidste ende være kritiske i udviklingen af ​​nyttige kvantecomputere og kvantesensorer, Lukin sagde, fordi de viser, at to kritiske komponenter - lange kvantehukommelsestider og en meget høj tæthed af kvantebits - ikke udelukker hinanden.

"For mange applikationer vil du have begge disse, " sagde Lukin. "Men disse to krav er normalt modstridende ... dette er et velkendt problem. Nærværende arbejde viser, at vi kan opnå den ønskede kombination. Der er stadig meget arbejde at gøre, men vi tror, ​​at disse effekter kan gøre os i stand til at skabe en ny generation af kvantesensorer, og kunne muligvis i det lange løb have andre anvendelser til ting som atomure."