Fysikere har laget et system av to sammenkoblede tidskrystaller, som er merkelige kvantesystemer som sitter fast i en endeløs løkke som termodynamikkens normale lover ikke gjelder. Ved å koble to tidskrystaller sammen håper fysikerne å bruke teknologien til etter hvert å bygge en ny type kvantedatamaskin.
“Det er et sjeldent privilegium å utforske en helt ny fase av materie,” fortalte Samuli Autti, hovedforskeren på prosjektet fra Lancaster University i Storbritannia, til WordsSideKick.com i en e-post.
Fra krystall til tidskrystall
Vi møter vanlige krystaller hele tiden i hverdagen, fra isen i en cocktail til diamantene i smykker. Mens krystaller er pene, representerer de for en fysiker et sammenbrudd av naturens normale symmetrier.
Fysikkens lover er symmetriske gjennom rommet. Det betyr at de grunnleggende ligningene for gravitasjon eller elektromagnetisme eller kvantemekanikk gjelder likt gjennom hele volumet til univers. De jobber også i alle retninger. Så et laboratorieeksperiment som roteres 90 grader bør gi de samme resultatene (alt annet likt, selvfølgelig).
Men i en krystall blir denne nydelige symmetrien brutt. Molekylene i en krystall ordner seg i en foretrukket retning, og skaper en repeterende romlig struktur. I fysikernes sjargong er en krystall et perfekt eksempel på “spontan symmetribrudd” – fysikkens grunnleggende lover forblir symmetriske, men arrangementet av molekylene er det ikke.
I 2012 la fysiker Frank Wilczek, ved Massachusetts Institute of Technology, merke til at fysikkens lover også har en tidssymmetri. Det betyr at ethvert eksperiment gjentas senere tid skal gi samme resultat. Wilczek gjorde en analogi til vanlige krystaller, men i dimensjonen av tid, dubbet denne spontane symmetrien som bryter gjennom tiden til en tidskrystall. Noen år senere kunne fysikere endelig bygge en.
I slekt: ‘X-partikkel’ fra tidenes morgen oppdaget inne i Large Hadron Collider
Kvantehemmeligheter
“En tidskrystall fortsetter å bevege seg og gjentar seg med jevne mellomrom i fravær av ytre oppmuntring,” sa Autti. Dette er mulig fordi tidskrystallen er i sin laveste energitilstand. De grunnleggende reglene for kvantemekanikk forhindrer at bevegelsen blir helt stille, og dermed forblir tidskrystallen “fast” i sin uendelige syklus.
“Dette betyr at de er evighetsmaskiner, og derfor umulige,” sa Autti.
De termodynamikkens lover tyder på at systemer i likevekt har en tendens til mer entropi, eller uorden – en kaffekopp som sitter ute vil alltid avkjøles, en pendel vil til slutt slutte å svinge, og ballen som ruller på bakken vil til slutt hvile. Men en tidskrystall trosser det, eller bare ignorerer det, fordi termodynamikkens regler ikke ser ut til å gjelde for den. I stedet er tidskrystaller underlagt kvantemekanikk, reglene som styrer dyrehagen til subatomære partikler.
“I kvantefysikk er en evighetsbevegelsesmaskin greit så lenge vi holder øynene lukket, og den må bare begynne å avta hvis vi observerer bevegelsen,” sa Autti og refererte til det faktum at de eksotiske kvantemekaniske tilstandene som kreves for tid krystaller kan ikke fortsette å fungere når de samhandler med miljøet (for eksempel hvis vi observerer dem).
Dette innebærer at fysikere ikke direkte kan observere tidskrystaller. I det øyeblikket de prøver å se en, brytes kvantereglene som lar dem eksistere, og tidskrystallen stopper opp. Og det konseptet strekker seg utover observasjon: Enhver sterk nok interaksjon med det ytre miljøet som bryter ned kvantetilstanden til tidskrystallen vil få den til å slutte å være en tidskrystall.
Det var her Auttis team kom inn, og prøvde å finne en måte å samhandle med en kvantetidskrystall gjennom klassiske observasjoner. I den minste skala hersker kvantefysikk. Men insekter og katter og planeter og sorte hull er bedre beskrevet av de deterministiske reglene til klassisk mekanikk.
“Kontinuumet fra kvantefysikk til klassisk fysikk er fortsatt dårlig forstått. Hvordan den ene blir den andre er et av de enestående mysteriene i moderne fysikk. Tidskrystaller spenner over en del av grensesnittet mellom de to verdenene. Kanskje vi kan lære hvordan vi fjerner grensesnittet ved å studere tidskrystaller i detalj,” sa Autti.
Magiske magnoner
I den nye studien brukte Autti og teamet hans «magnons» for å bygge tidskrystallen sin. Magnoner er “kvasipartikler”, som dukker opp i den kollektive tilstanden til en gruppe av atomer. I dette tilfellet tok teamet av fysikere helium-3 – et heliumatom med to protoner, men bare ett nøytron – og avkjølte det til innenfor en ti tusendels grad over absolutt null. Ved den temperaturen forvandlet helium-3 seg til et Bose-Einstein-kondensat, der alle atomene deler en felles kvantetilstand og arbeider sammen med hverandre.
I det kondensatet ble alle spinnene til elektronene i helium-3 koblet sammen og arbeidet sammen, og genererte bølger av magnetisk energi, magnonene. Disse bølgene raste frem og tilbake for alltid, og gjorde dem til en tidskrystall.
Auttis team tok to grupper med magnoner, som hver fungerte som sin egen tidskrystall, og brakte dem nær nok til å påvirke hverandre. Det kombinerte systemet av magnoner fungerte som engangskrystall med to forskjellige tilstander.
Auttis team håper at eksperimentene deres kan avklare forholdet mellom kvante og klassisk fysikk. Målet deres er å bygge tidskrystaller som samhandler med miljøene deres uten at kvantetilstandene går i oppløsning, slik at tidskrystallen kan fortsette å løpe mens den brukes til noe annet. Det ville ikke bety fri energi – bevegelsen assosiert med en tidskrystall har ikke kinetisk energi i vanlig forstand, men den kan brukes til kvanteberegning.
Å ha to tilstander er viktig, fordi det er grunnlaget for beregningen. I klassiske datasystemer er den grunnleggende informasjonsenheten en bit, som kan ha enten en 0- eller 1-tilstand, mens i kvanteberegning kan hver “qubit” være på mer enn ett sted samtidig, noe som muliggjør mye mer databehandling makt.
“Dette kan bety at tidskrystaller kan brukes som en byggestein for kvanteenheter som fungerer også utenfor laboratoriet. I en slik satsing vil to-nivåsystemet vi nå har laget være en grunnleggende byggestein,” sa Autti.
Dette arbeidet er for tiden veldig langt unna en fungerende kvantedatamaskin, men det åpner for interessante forskningsmuligheter. Hvis forskere kan manipulere to-tids-krystallsystemet uten å ødelegge dets kvantetilstander, kan de potensielt bygge større systemer av tidskrystaller som fungerer som sanne beregningsenheter.
Opprinnelig publisert på Live Science.