Koblingen av to “tidskrystaller” i en supervæske av helium-3, knapt en ti-tusendels grad over absolutt null, kan være et stort skritt mot en ny type kvantedatamaskin.
Tidskrystaller er bisarre strukturer av atomer, hvis eksistens først ble spådd så sent som i 2012, med eksperimentelle bevis etter noen år senere. I en normal krystall, for eksempel diamant eller salt, er atomene ordnet i et regelmessig repeterende romlig mønster – et gitter eller lignende rammeverk. Og som de fleste materialer, når atomene er i sin grunntilstand – deres lavest mulige energinivå – slutter de å jiggle.
Tidskrystaller, på den annen side, består av atomer som gjentar seg i tid i stedet for i rom, som oscillerer frem og tilbake, eller spinner, selv i grunntilstanden. De kan opprettholde denne bevegelsen til stadighet, uten å kreve tilførsel av energi eller miste energi i prosessen.
I slekt: Overjordisk ‘tidskrystall’ laget inne i Googles kvantedatamaskin kan forandre fysikken for alltid
Ved å gjøre det kan disse tidskrystallene trosse et konsept kjent som entropi. Termodynamikkens andre lov beskriver entropi som hvordan ethvert system blir mer uordnet over tid. Som et eksempel kan du vurdere banene til planetene rundt sol. For enkelhets skyld ser vi for oss at de beveger seg i urverksrekkefølge, og alltid kommer tilbake til samme sted på samme tid i sine respektive baner. I virkeligheten er ting imidlertid rotete: The gravitasjon av de andre planetene, eller forbipasserende stjerner, kan trekke og trekke på planetene, og gjøre subtile endringer i banene deres.
Derav banene til planetene er iboende kaotiske. En liten endring i en kan potensielt få store konsekvenser for dem alle. Systemet blir uordnet over tid – entropien til systemet øker.
Tidskrystaller kan oppheve effekten av entropi på grunn av et kvantemekanisk prinsipp kjent som “mange objektlokalisering.” Hvis en kraft merkes av ett atom i tidskrystallen, påvirker det bare det atomet. Derfor anses endringen som lokalisert snarere enn global (gjennom hele systemet). Som et resultat blir ikke systemet kaotisk og lar de gjentatte svingningene fortsette, teoretisk, i evighet.
“Alle vet at evighetsmaskiner er umulige,” sa Samuli Autti, en stipendiat og foreleser i fysikk ved Lancaster University i Storbritannia, i en uttalelse. “Men i kvantefysikk er evig bevegelse greit så lenge vi holder øynene lukket.”
Autti, som ledet forskningen, viser til Heisenberg-usikkerhetsprinsippet, som henspiller på hvordan, når et kvantesystem blir observert og målt, dets kvantebølgefunksjon kollapser. På grunn av deres kvantemekaniske natur, kan tidskrystaller fungere med 100 % effektivitet bare når de er fullstendig isolert fra omgivelsene. Dette kravet begrenser hvor lang tid de kan observeres før de brytes fullstendig sammen som et resultat av kollaps av bølgefunksjon.
Imidlertid lyktes Auttis team med å koble sammen to tidskrystaller ved å avkjøle en mengde på helium-3, en isotop av helium. Helium-3 er spesiell fordi, når den avkjøles til en brøkdel over absolutt null (minus 459,67 grader Fahrenheit, eller minus 273 grader Celsius), blir isotopen en supervæske, noe ikke mange materialer kan gjøre. I en superfluid er det null viskositet, så ingen kinetisk energi går tapt gjennom friksjon, og dermed lar bevegelser – som for atomene i en tidskrystall – fortsette i det uendelige.
Auttis team, som jobbet ved Aalto-universitetet i Finland, manipulerte deretter helium-3-atomene for å lage to tidskrystaller som interagerte med hverandre. Videre observerte de denne tidskrystallparingen i rekordstor tid, omtrent 1000 sekunder (nesten 17 minutter), som tilsvarer milliarder av perioder med oscillerende eller spinnende bevegelser av atomene, før tidskrystallenes bølgefunksjon avtok.
“Det viser seg at å sette to av dem sammen fungerer vakkert,” sa Autti.
Funnene skaper en lovende forskningslinje for å utvikle en fullt funksjonell kvantedatamaskin. Mens bitene til en vanlig datamaskin er binære – 1s eller 0s, på eller av – prosesseringshastigheten til kvantedatamaskiner er mye raskere fordi de bruker “qubits”, som kan være 1 og 0, på og av samtidig. En måte å bygge en kvantedatamaskin på ville være å koble sammen utallige tidskrystaller, hver og en utformet for å fungere som en qubit. Derfor har dette første eksperimentet for å koble to tidskrystaller skapt den grunnleggende byggesteinen til en kvantedatamaskin.
Tidligere eksperimenter har allerede vist at krystaller en tid kan fungere ved romtemperatur, i stedet for å måtte avkjøles til nesten absolutt null, noe som gjør konstruksjonen enda enklere. Den neste oppgaven, sa Auttis team, er å demonstrere at logiske portoperasjoner, som er funksjoner som lar en datamaskin behandle informasjon, kan operere mellom to eller flere tidskrystaller.
Forskningen ble publisert 2. juni i tidsskriftet Naturkommunikasjon (åpnes i ny fane).
Følg Keith Cooper på Twitter @21stCenturySETI. Følg oss på Twitter @Spacedotcom og på Facebook.