新實驗造出了兩個時間晶體,第一次讓它們互相接觸,觀察到它們共存了超過15分鐘。
所謂晶體,就是內部結構在空間上按照特定規律重複排布的物質,比如鹽、雪花等物體;而時間晶體則是內部的結構按照一定的時間規律重複的物質。
時間晶體的概念最早於2012年提出,2016年一組科學家第一次提出了一份具體的設計藍圖。時間晶體是存在於量子世界的物質,它的特性違背物理常識規律,但是遵循量子物理學的規律。比如,其內部的分子可以呈現永動機一樣的運動模式。
6月2日發表於《自然·通訊》(Nature Communications)期刊的一份研究稱,這種物質不僅能被造出來,而且有希望應用於各種設備。
這項研究的負責人英國蘭卡斯特大學(Lancaster University)物理系的薩穆利·奧蒂(Samuli Autti)說:「大家都認為永動機是不可能存在的。可是,在量子力學領域,永動的狀態是可行的,只要你閉上眼睛。」
奧蒂指的是量子力學中的海森堡(Heisenberg)測不準原理,意即量子系統一旦被測量或被觀測到,系統的波函數就會坍塌。所以,理論上時間晶體只能和環境隔絕、孤立地存在。一旦被觀測,它們就完全坍塌,這極大限制了這種物體能夠存在的時間。然而這份研究不僅造出了兩個時間晶體,而且讓它們維持了十幾分鐘。
研究組把氦3(Helium-3)冷卻到0.0001K的低溫,這僅比絕對零度高出萬分之一度。在此低溫下,氦3變成了超流體。在此狀態下,這種物質的粘稠度為零,粒子之間的摩擦運動不會損失動能,從而使得時間晶體內部的原子保持無止境的運動。
研究組在氦3超流體內造出了兩個時間晶體,並讓它們接觸,觀察它們的互動模式。研究稱,觀察到兩個時間晶體成對存在了大約1,000秒,也就是接近17分鐘後,它們的波函數才坍塌。
奧蒂說:「雖然時間晶體可能根本不應該存在,但是我們(不僅造出了這種物體)發現兩個時間晶體可以完美地共存。而且,我們已經知道時間晶體可以在室溫下運作。」
研究組稱,觀測到兩個時間晶體可以配對運作這具有重要意義。這說明時間晶體也可以作為量子電腦的基礎運算單元——量子比特。可是,量子電腦的處理器是很多量子比特互相連接構成的系統,因此這項研究展示的兩個時間晶體的合作,是證明它們可以用作量子比特所邁出的重要一步。
研究組表示,下一步將展示能夠用更多個時間晶體進行邏輯門運算。這是電腦處理器的基礎。#
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