Срочные новости раздела
Физики превратили пару кристаллов времени в искусственный кубит

Физики превратили пару кристаллов времени в искусственный кубит

Физики превратили пару кристаллов времени в искусственный кубит с эффектом обратной связи и исследовали его динамику. Сами кристаллы представляли собой магнонные конденсаты, сформированные в жидком гелии-3, чья населенность и относительная фаза прецессии вели себя так же, как ведут себя параметры двухуровневой системы. В отличие от настоящего кубита, созданная система позволяет измерить все свои свойства за один экспериментальный прогон.

Образец сверхтекучего гелия-3 находится в цилиндре из кварцевого стекла. Кристалл времени магнона (синяя капля) захвачен в середине контейнера комбинированным эффектом минимума статического магнитного поля, созданного с помощью пинч-катушки (зеленая проволочная петля), и пространственным распределением сверхтекучего орбитального импульса. L (маленькие зеленые стрелки). Когерентная прецессия намагниченности М (пурпурный конус) в кристалле времени наблюдается с помощью поперечных приемных катушек. Постоянное магнитное поле H направлено параллельно оси цилиндра. © S. Autti et al. / Nature Communications, 2022

Кристаллом времени называют вечно двигающуюся систему, находящуюся при этом в равновесном состоянии. Идеальный временной кристалл невозможен, поскольку состояние покоя всегда обладает меньшей энергией, чем движущееся. А условие возбужденности несовместимо с термодинамическим равновесием.

Следовательно, попытка создания реального временного кристалла должна до некоторого предела нарушить какое-то из вышеуказанных условий. Наиболее распространен подход, в котором периодическое внешнее воздействие нарушает условие равновесия, однако сама система демонстрирует признаки кристалла времени. В отличие от более привычных вынужденных механических колебаний, движение в таком кристалле времени (его еще называют кристаллом дискретного времени или дискретным временным кристаллом) обусловлено его внутренними законами, а внешнее воздействие служит лишь в качестве источника энергии. Это проявляется в том, что частота колебаний в таком кристалле отличается от частоты внешнего возмущения. Дискретные временные кристаллы создают в кольце из атомов, в атомном бозе-конденсате и даже на кубитах квантового процессора.

Другой подход основан на разовом воздействии на систему, которая хорошо изолирована от окружения. В этом случае нарушается условие вечного движения, поскольку идеальной изоляции добиться пока никому не удалось. Часть исследователей считает, что, если время жизни в таком нестабильном подвижном состоянии достаточно велико, его можно определить как кристалл времени.

Вопрос с изоляцией от внешнего воздействия выходит на первый план, если задаться вопросом о том, как будут взаимодействовать два временных кристалла. Они оба должны быть защищены от влияния окружения, но при этом должны достаточно сильно взаимодействовать друг с другом. Два года назад мы рассказывали, как эту проблему удалось решить группе физиков из Великобритании, России, США и Финляндии под руководством Владимира Ельцова (Vladimir Eltsov) из Университета Аальто. Они заставили взаимодействовать два магнонных конденсата в сверхтекучем гелии, находящихся в состоянии кристалла времени, и обнаружили аналог эффекта Джозефсона. Теперь же физики пошли дальше и превратили пару магнонных конденсатов в макроскопический динамический кубит.

Установка, используемая учеными, представляет собой цилиндрический кварцевый контейнер, наполненный жидким гелием-3 при температуре 130 микрокельвин. В такой среде электроны образуют куперовские пары, орбитальные моменты которых выстраиваются в цилиндрическом объеме некоторым неоднородным, но аксиально симметричным образом. Возникающие в результате накачки спиновые возбуждения (магноны) испытывают спин-орбитальное взаимодействие, которое благодаря неоднородности орбитальных моментов, формирует для них ловушку в середине контейнера. Другая магнонная ловушка появляется в орбитальной неоднородности на поверхности жидкости.

В обеих ловушках магноны конденсируются, а суммарная намагниченность участка прецессирует вокруг оси симметрии со своей частотой, демонстрируя поведение кристалла времени. Примечательно, что частота поверхностного кристалла постоянна с хорошей точностью, поскольку краевые орбитальные моменты жестко зафиксированы перпендикулярно поверхности, в то время как частота центрального кристалла времени зависит от количества магнонов в нем. Так получается из-за эффекта обратной связи: спин-орбитальное взаимодействие не только стягивает магноны к центру, но и деформирует распределение количества вращения.

Замечательной особенностью построенной системы стало то, что ее можно представить в виде квантовомеханической двухуровневой системы — макроскопического кубита. При этом роль вероятности встретить кубит в верхнем или нижнем уровне играет населенность соответствующей ловушки, а роль фазы — относительная фаза прецессий. У соответствующего гамильтониана есть и недиагональные члены: связь между уровнями обеспечивает перекрытие конденсатов и миграция магнонов между ними, которую авторы изучали в предыдущей работе.

Однако построенный искусственный кубит отличается от настоящего тем, что у него энергия одного из уровней связана с его населенностью. Это усложняет теоретическое описание эволюции, но позволяет изучать новый динамический режим, основанный на механизме обратной связи. Физики убедились в этом, изучая явление антипересечения энергетических уровней, при котором, согласно привычной квантовой механике, уровни выстраиваются в суперпозицию (одетые состояния) и между ними начинаются осцилляции Раби. Для большой населенности центральной ловушки эффект обратной связи оказывал влияние не только на сам уровень, но и на область пересечения конденсатов и, следовательно, на то, как ведут себя одетые состояния. Авторы подчеркивают, что в отличие от реальных квантовомеханических систем, изучение свойств которых возможно только за счет многократного приготовления и измерения, система, основанная на двух временных кристаллах, позволяет извлечь все экспериментальные параметры всего за один прогон.

Статья опубликована в журнале Nature CommunicationsИсточник: Марат Хамадеев nplus1.ru

Источник: sci-dig.ru

Последние записи - Наука

самые читаемые новости

#Наука

Исследование ученых из Университета Западного Онтарио показало, что в период зимней спячки колорадские жуки разрушают митохондрии в собственных мышцах, а пробуждаясь, вновь их восстанавливают.
подробнее...

Палеогенетики прочитали самый старый геном домашней лошади из Америки. Им удалось отсеквенировать ДНК из зуба, найденного в испанском городе раннего колониального периода на Гаити. Ученые подтвердили
подробнее...

Группа ученых из Кольского научного центра РАН и Санкт-Петербургского государственного университета открыла новый минерал в якутском месторождении Кестёр в Верхоянском крае, который может стать
подробнее...

Окаменелости плезиозавров, найденные в древнем русле реки в пустыне Сахара позволяют предположить, что некоторые вымершие виды, которые традиционно считались морскими существами, могли обитать и в
подробнее...

Команда исследователей из Сколтеха и Томского политехнического университета применила уникальную технологию, используемую в аэрокосмической промышленности, для синтеза карбида гафния-тантала —
подробнее...

Палеонтолог Ромен Давид (Romain David) из Музея естественной истории в Лондоне выдвинул гипотезу, согласно которой относительный размер полукружных каналов во внутреннем ухе позвоночных зависит от их
подробнее...

Ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами из Китая доказали возможность генерации магнитного поля в диэлектриках с низким показателем преломления. К ним относятся стекло,
подробнее...

Китайские физики экспериментально поиграли в квантовую игру Мермина — Переса с помощью гиперзапутанных фотонов. Эта игра представляет собой пример квантовой псевдотелепатии, то есть игры, в которой
подробнее...

Исследователи из Франции разработали инновационного «наноробота» полностью из молекул ДНК. Он поможет тщательнее изучить на микроскопическом уровне механизмы, которые имеют решающее значение для
подробнее...

Израильские физики построили теорию взаимодействия атома с излучением в среде фотонного временного кристалла. Так называют однородный материал, чья диэлектрическая проницаемость периодически меняется
подробнее...

Когда некоторые из магнитных материалов охлаждаются ниже какой-то определенной температуры, происходит нечто интересное. Направления вращения электронов атомов как бы «замораживаются», они застывают,
подробнее...

Согласно теории, далекие транснептуновые объекты ― естественный результат долговременной эволюции Солнечной системы, включающей мигрирующие планеты-гиганты и самогравитирующий планетезимальный диск.
подробнее...

Группа исследователей из Германии и США использует бактериальный биосинтез для производства антибиотика, содержащего фтор, сообщает пресс-служба Франкфуртского университета имени Иоганна Вольфганга
подробнее...

Сотрудники Зоологического музея МГУ и Института биологии развития РАН описали два новых вида голожаберных моллюсков — особой группы морских животных, не имеющих раковины. Один из них назвали в честь
подробнее...

Палеонтолог проанализировал большую выборку черепов динозавров и их родственников и обнаружил, что у большинства видов глазницы были округлыми, но крупные хищники, такие как тираннозавр и аллозавр,
подробнее...

Согласно новому исследованию ученых из Института поведения животных Общества Макса Планка (MPI-AB), Университета Констанца и Университета Эксетера, мигрирующие насекомые способны сохранять идеально
подробнее...

Группа исследователей, в которую вошли ученые из СПбГУ, НМХЦ имени Н. И. Пирогова, Университета Иннополис, БФУ имени Иммануила Канта и сотрудники научно-производственной компании «Иммерсмед», создала
подробнее...

Исследователи из Сколтеха, Исландского университета и Саутгемптонского университета показали, как формируется ранее не наблюдавшийся объект из области квантовой физики, представляющий собой кластер
подробнее...