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