Zaman Kristal Sistemi Kuantum Hesaplamada Devrim Yaratabilir

Görünüşte fizik yasalarına meydan okuyan bir deneyde bilim insanları ilk kez iki gövdeli zaman kristali sistemini yarattılar ve bunun kuantum hesaplamanın geleceği için bazı inanılmaz etkileri olabilir.

Nature Communications dergisinde yayınlanan bir makalede, Birleşik Krallık, Rusya ve Finlandiya'dan araştırmacılar, bir süper akışkan içinde nasıl iki zaman kristali yarattıklarını - bu deneyde nadir bir helyum izotopu, mutlak sıfır dereceden bir derecenin yaklaşık on binde birine kadar soğutuldu - ve onları birbirine temas etmesi için bir araya getirerek nasıl klasik fiziğe değil, kuantum kurallarına dayanan birleşik bir sistem oluşturduklarını anlattılar.

Çalışmanın baş yazarı EPSRC Üyesi Dr. Samuli Autti, "İkisini bir araya getirmenin güzel sonuçlar verdiği ortaya çıktı. Zaman kristalleri var olmamalı olsa bile." dedi.

"Zaman kristalleri" kulağa bir Indiana Jones filminden fırlamış gibi gelse de aslında bundan çok daha harikalar. Bilim adamlarını biraz şaşırtan o tuhaf kuantum fenomenlerinden biriler - varlıkları sadece 2012'de ileri sürüldü ve uzun bir süre tamamen teorik oldukları varsayıldı.

O halde, 2017'de iki ayrı araştırma ekibi gerçek hayatta bazı zaman kristallerinin keşfini duyurduklarında bilim camiasının ortak şaşkınlığını hayal edin. O zamandan beri gizemli küçük nesneler her yerde ortaya çıkmaya başladı - son teknoloji kuantum bilgisayarlardan günlük bir çocuk oyuncağına kadar.

Peki zaman kristalleri tam olarak nedir? Nasıl düşündüğünüze bağlı olarak, ya tam olarak kulağa nasıl geliyorsa öyleler ya da hiç öyle değiller. Normal, zamansız bir kristal – zümrüt veya kar tanesi gibi – düzenli, tekrar eden atomik yapısıyla tanımlanır. Örneğin bir elmas mikroskop altında şöyle görünür:

Son derece simetriktir – yapının uzayında nerede olursanız olun, desen aynı olacaktır. Zaman kristalleri de benzerdir - ancak yapı uzayda değil, zamanda tekrar eder.

Adlarının mükemmel bir anlam ifade ettiği zaman kristallerini anlamanın yolu budur: onlar normal bir kristalin zaman analoğudur. Biraz daha kafa karıştırıcı bir hal, bunun gerçekte nasıl görüneceğini hayal etmeye çalıştığınızda ortaya çıkar.

Araştırmaya dahil olmayan Google Quantum AI araştırma bilim insanları Pedram Roushan ve Kostyantyn Kechedzhi, "Diyelim ki, Hubble Teleskobu ile belirli bir süre boyunca bir gezegenin ve yörüngesindeki ayın yörüngesini her bitirdiğinde fotoğraflarını çektiniz. Ay yörüngesini tekrar tekrar yinelediğinden bu resimlerin hepsi aynı görünecektir.” diye açıkladılar.

"Ama ya uyduların entropiyi hiç artırmadan periyodik olarak yörüngelerini tekrarlayabildikleri bir gezegen ve ayları sistemi varsa? Bu konfigürasyon - açıkça başarılması zor - bir zaman kristali olarak kabul edilebilir." şeklinde devam ettiler.

Başka bir deyişle, bir zaman kristali aslında bir kristal değildir - en azından, onları düşünmeye alıştığımız şekliyle değil. Bu, maddenin yeni bir aşamasıdır, aynı anda hem kararlıdır hem de sürekli evrim halindedir ve her zaman periyodik olarak aynı kalıba geri döner.

Ve bu… mantıklı olmamalı. Autti, "Devridaim makinelerinin imkansız olduğunu herkes biliyor. Ancak, gözlerimizi kapalı tuttuğumuz sürece kuantum fiziğinde devamlı hareket sorun değil. Bu aralıktan gizlice geçerek zaman kristalleri yapabiliriz." diye açıkladı.

Ancak iki gövdeli zaman kristali sisteminin yaratılması, fizik yasalarını aldatmanın bir yolundan çok daha fazlası. Bir kuantum bilgisayarının - hesaplamada bir sonraki büyük adım - temel yapı taşı "iki seviyeli sistem" olarak adlandırılan bir şeydir: iki bağımsız kuantum durumunun süperpozisyonunda var olan bir kuantum sistemi. Bu da tam olarak araştırmacıların inşa ettiği şey: "Deneylerimizde, spin-dalga yarıparçacıklarından oluşan iki eşleştirilmiş zaman kristali... makroskopik iki seviyeli bir sistem oluşturuyor." diye açıklıyor makale.

Yazarlar, "İki seviye zamanla doğrusal olmayan bir geri besleme tarafından içsel olarak belirlendiği gibi gelişerek spontane iki seviyeli dinamikler oluşturmamıza izin verir." diye devam ediyor. "Magnon zaman kristalleri, deneyin tek bir çalışmasında kuantum-uyumlu etkileşimlerin her yönüne ve detayına erişim sağlar."

Ve bu gelecek için bazı heyecan verici olasılıklar sunuyor. Genelde, kuantum bilgisayarlar aşırı soğuk sıcaklıklara dayanır - örneğin Google'daki sıcaklık, evrendeki en soğuk yerden daha soğuk olan 50 milikelvin'in altında tutulur.

Ancak Autti, "zaman kristallerinin oda sıcaklığında da var olduğunu zaten biliyoruz." dedi ve bu nedenle bu iki gövdeli sistemin keşfi, süper soğutma olmadan çalışabilen kuantum bilgisayarları yapmanın bir yolunu sağlayabilir. Ve bu son derece heyecan verici olurdu.

Bu içerik IFLSCIENCE’da yayınlanmıştır.