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. Исследование опубликовано в Nature Communications.
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.
Изучение одних систем, которые имитируют поведение других, стало трендом в физике последних лет. О том, как проводят такие квантовые симуляции, подробнее читайте в материале «Квантовое преследование».
Марат Хамадеев
В нем удалось разогнать электроны на 43 процента
Немецкие физики создали когерентный нанофотонный ускоритель электронов, который не только способен ускорять частицы, но и фокусирует их пучок. В нем удалось разогнать электроны на дистанции 500 микрометров в канале шириной всего 225 нанометров, при этом первоначальная энергия пучка увеличилась на 43 процента. Статья об этом опубликована в журнале Nature. Традиционно для ускорения заряженных частиц ученые используют высокочастотные резонаторы. Наибольший успех имеют кольцевые ускорители, в которых энергия частиц повышается с каждым новым витком. Например, Большой адронный коллайдер — пожалуй, самый известный кольцевой ускоритель — достиг рекордной энергии 6,8 тераэлектронвольт на пучок. К сожалению, ускорять электроны до высоких энергий в кольцевых ускорителях не дает их малая масса и синхротронное излучение, которое уносит накопленную энергию. Для получения электронов высоких энергий строят линейные ускорители, такие как SLAC. Градиент ускорения, который испытывают частицы в классических ускорителях, ограничен пиковым радиочастотным полем, которое могут выдержать металлические поверхности конструкции, и обычно составляет десятки мегавольт на метр. О том, с какими еще сложностями сталкиваются ученые при модернизации Большого адронного коллайдера, мы писали в материале «Стойкий оловянный магнит». Чтобы обойти подобные ограничения, ученые разрабатывают другое направление в ускорительной технике — диэлектрические лазерные ускорители (нанофотонные ускорители). Диэлектрические материалы могут выдерживать оптическую нагрузку до десяти гигавольт на метр. Подобные технологии потенциально могут на несколько порядков сократить требуемые размеры и стоимость ускорительных комплексов. Томас Хлоуба (Tomáš Chlouba) и его коллеги из Университета имени Фридриха — Александра в Эрлангене и Нюрнберге создали когерентный нанофотонный ускоритель электронов, который состоит из двух рядов кремниевых столбиков высотой два микрометра. Ученые освещали столбики сверху лучом лазера длиной волны 1,93 микрометра, чтобы создать необходимый режим ближнего поля. Электронный пучок инжектировался в эту структуру между рядами столбиков с начальной энергией электронов 28,4 килоэлектронвольт. Если выполнено условие синхронизации — период структуры отнесенный к длине волны лазера равен скорости электронов, нормированных на скорость света в вакууме — то электроны и оптическая ближнепольная мода движутся с одинаковой скоростью. Чтобы ускорить электроны, ученые увеличили период структуры. Ученым удалось не только разогнать электроны, но и решить проблему их фокусировки. Согласно теореме Ирншоу одновременная фокусировка луча электронов по всем трем направлениям невозможна. Однако это ограничение физики сумели обойти, применив технику попеременной фазовой фокусировки. Чтобы изменить фазу синхронизации, Хлоуба с коллегами увеличил один из промежутков между последовательными парами кремниевых столбиков. Это привело к фокусировке электронов в поперечном направлении, но к дефокусировке в продольном. Внедряя аналогичные фазовые сдвиги далее вдоль следования пучка электронов, физики попеременно фокусировали пучок либо в продольном, либо в поперечном направлении. В результате ученым удалось разогнать электроны на 43 процента до энергии 40,7 килоэлектронвольт на расстоянии 500 микрометров и при этом сохранить фокусировку пучка в канале шириной всего 225 нанометров. Физики отмечают, что полученные энергии электронов пока далеки от масштабов гигаэлектронвольт, а также наблюдались существенные потери электронов из-за недостаточной оптимизации установки. Однако представленный концепт может быть доработан и масштабирован, что по мнению ученых потенциально может привести к созданию более дешевых и компактных ускорителей электронов в будущем. Идея компактных ускорителей частиц крайне привлекает ученых. Например, ранее мы писали, как при помощи терагерцового излучения физики разогнали электроны в ускорителе размером со спичку.
