時間晶體的相互作用可以幫助推動衛星導航技術的發展

2020-09-03 萬象經驗

科學家第一次觀察到了一個新的物質階段，即「時間晶體」相互作用。由於時間晶體會在不斷變化的條件下自動保持其結構（一種相干狀態），因此這可能會導致量子信息處理方面的新進展。而保持相干性是製造強大量子計算機的主要障礙。

在氦-3超流體中，兩個時間晶體在不破壞準粒子相干性的情況下交換準粒子，這一成就為量子信息處理等新興領域開闢了可能性，在這些領域相干性至關重要。控制兩種時間晶體的相互作用是一項重大成就。在此之前，沒有人在同一個系統中觀察到兩個時間晶體，更不用說看到它們之間的相互作用了。

「時間晶體」的理論

時間晶體非常迷人。它們看起來就像普通晶體，但它們有一個額外的、特殊的性質。

在規則晶體中，原子排列成固定的三維網格結構，就像鑽石或石英晶體的原子晶格一樣。這些重複的晶格可以在配置上有所不同，但是它們並不會移動太多：它們僅在空間上重複。



在時間晶體中，原子的行為略有不同。它們的原子不斷振蕩和自旋、朝一個方向移動，然後又朝另一個方向移動。這些振蕩（稱為「滴答聲」）被鎖定在一個規則的和特定的頻率上。所以規則晶體的結構在空間中重複，而在時間晶體中，它在空間和時間上重複。

氦-3實驗

理論上，時間晶體在它們可能的最低能量狀態（基態）下運行，因此在很長一段時間內是穩定和相干的。這是可以利用的，但前提是它們的相干性可以在可控的相互作用中被保留。



氦-3是氦的一種穩定同位素，有2個質子但只有1個中子。首先，研究人員將氦-3冷卻到絕對零度的萬分之一度以內，形成了B相超流體，這是一種零粘度的低壓流體。在這種介質中，這兩個時間晶體以空間上截然不同的玻色-愛因斯坦凝聚的磁振子準粒子的形式出現。磁振子不是真正的粒子，而是由電子自旋的集體激發組成的，就像波在自旋晶格中傳播一樣。

當物理學家允許這兩個時間晶體接觸時，他們交換了磁振子。這在不犧牲相干性的前提下，將振蕩改變為相反的相位。這一結果與一種被稱為約瑟夫森效應的超導現象相一致，即電流在兩塊被稱為約瑟夫森結的薄絕緣體隔開的超導材料之間流動。這些結構是正在為構建量子位元(量子計算機中信息的基本單位)而探索的幾種結構之一。



這只是一個非常簡單的交互，但它確實為嘗試創建和控制更複雜的交互打開了大門。時間晶體遵循量子力學的一般動力學，並為進一步研究這些相的基本特性提供了基礎，為量子信息處理等新興領域的可能應用開闢了道路。具有可調相互作用的長壽命相干量子系統，如這裡研究的強健時間晶體，為建立基於自旋相干現象的新型量子器件提供了平臺。

時間晶體可能會導致許多實際應用，它可以改進原子鐘技術甚至是衛星導航系統。​

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