Perşembe gecesi çevrimiçi olarak yayınlanan bir ön baskıda, Google’daki araştırmacılar, Stanford, Princeton ve diğer üniversitelerdeki fizikçilerle işbirliği içinde, gerçek bir “zaman kristali” göstermek için Google’ın kuantum bilgisayarını kullandıklarını söylediler. Ayrıca, ayrı bir araştırma grubu, bu ayın başlarında bir elmasta zaman kristali oluşturduklarını iddia etti.
Fizikçilerin yıllardır gerçekleştirmek için uğraştıkları maddenin yeni bir aşaması olan zaman kristali, parçaları düzenli, tekrar eden bir döngüde hareket eden ve bu sürekli değişimi herhangi bir enerji harcamadan sonsuz döngüden oluşan bir nesnedir.
Almanya, Dresden’deki Max Planck Karmaşık Sistemlerin Fiziği Enstitüsü müdürü ve Google gazetesinin ortak yazarlarından Roderich Moessner sonucun şaşırtıcı olduğunu açıklıyor.
Termodinamiğin İkinci Yasası Değişiyor mu?
Düzensizliğin her zaman arttığını söyleyen yasa budur. Zaman kristalleri, aynı zamanda, sabit bir nesnenin zaman boyunca aynı kalacağı genel kuralı olan “zaman-çeviri simetrisini” kendiliğinden kıran ilk nesnelerdir. Bir zaman kristali, zaman içinde periyodik aralıklarla gelen özel anlarla hem sabittir hem de sürekli değişir.
Zaman kristali, maddenin fazlarının yeni bir kategorisidir ve fazın ne olduğunun tanımını genişletir. Su veya buz gibi bilinen tüm diğer fazlar termal dengededir: Bileşen atomları, ortam sıcaklığının izin verdiği en düşük enerjiye sahip duruma yerleşmiştir ve özellikleri zamanla değişmez. Zaman kristali ilk “denge dışı” aşamadır: Heyecanlı ve gelişen bir durumda olmasına rağmen düzen ve mükemmel kararlılığa sahiptir.
Şu anda Stanford’da bulunan yoğun madde fizikçisi Vedika Khemani, yüksek lisans öğrencisiyken roman aşamasını birlikte keşfeden ve yeni makalenin yazarlarından biri olan Vedika Khemani, “Bu, şu anda üzerinde çalıştığımız tamamen yeni ve heyecan verici bir alan” dedi.
Roman Aşaması Nedir?
Kuantum maddenin fiziğindeki son teorik ve deneysel gelişmeler, “kuantum düzenini” anlamak için genişletilmiş bir çerçeve gerektirmiştir. Teorik cephede, son on yıldaki hızlı gelişme, maddenin yeni ve egzotik fazlarını ürettiği tespit edilen simetri yüklerinin yanı sıra, önemsiz olmayan kuantum dolaşıklık modellerini, istatistiklerin parçalanmasını ortaya çıkardı. Bu tür fazları sınıflandırmak ve benzersiz özelliklerini anlamak, yüksek enerjili, yoğun madde ve kuantum bilgi fizikçilerinin yanı sıra matematikçileri içeren devam eden bir işbirliği çabasıdır. Deneysel cephede, iki ve üç boyutlu topolojik yalıtkanların, yarı metallerin keşfi ve ayrıca çeşitli aday spin-sıvı malzemelerinin önerisi büyük heyecan yarattı. Daha yakın zamanlarda, bükülmüş çift katmanlı grafende geleneksel olmayan süper iletken ve manyetik fazların keşfi, güçlü bir şekilde ilişkili fazları incelemek için yeni bir platform açtı.
Princeton’dan Khemani, Moessner, Shivaji Sondhi ve Birleşik Krallık’taki Loughborough Üniversitesi’nden Achilleas Lazarides, 2015’te fazın olasılığını keşfetti ve temel özelliklerini açıkladı; Microsoft Station Q’dan Chetan Nayak ve California Üniversitesi, Santa Barbara tarafından yönetilen rakip bir fizikçi grubu, kısa bir süre sonra onu bir zaman kristali olarak tanımladı.
Araştırmacılar, son beş yılda bir zaman kristali yaratmak için yarıştılar, ancak önceki demolar, kendi şartlarında başarılı olsalar da, kristalinin varlığını belirlemek için gereken tüm kriterleri karşılamada başarısız oldular.
Oxford Üniversitesi Yoğun Madde Fizikçisi John Chalker, “Bu deneylerin hiçbirinin tam olarak başarılı olmadığını düşünmek için iyi nedenler var ve bir kuantum bilgisayarı, bu önceki deneylerden çok daha iyisini yapmak için özellikle iyi bir konumda olduğunu belirtti.
Google’ın kuantum bilgi işlem ekibi, sıradan bilgisayarların pratik bir süre içinde yapamayacağı düşünülen ilk hesaplamayı yaptıklarında 2019’da manşetlere çıktı. Yine de bu görev bir hızlanma göstermek için tasarlandı ve doğal bir ilgi uyandırmadı. Yeni zaman kristali demosu, bir kuantum bilgisayarının kazançlı bir iş bulduğu ilk zamanlardan birini işaret ediyor.
Google’ın İşlemcisinin Harika Bir Kullanımı
Yayınlanmak üzere gönderilen dünün ön baskısı ve diğer yakın tarihli sonuçlarla birlikte, araştırmacılar kuantum bilgisayarlar için orijinal umudu yerine getirdiler. Fizikçi Richard Feynman, cihazları öneren 1982 tarihli makalesinde, hayal edilebilecek herhangi bir kuantum sisteminin parçacıklarını simüle etmek için kullanılabileceklerini savundu.
Bir zaman kristali hassas bileşenlerin karmaşık kombinasyonu göz önüne alındığında, doğanın muhtemelen asla yaratmadığı bir kuantum nesnesidir. Hayal gücü, doğanın en şaşırtıcı yasalarıyla karıştırılan tarifi yarattı.
İmkansız Bir Fikir, Diriltildi
Orijinal zaman kristali kavramının ölümcül bir kusuru vardı. Nobel ödüllü fizikçi Frank Wilczek, 2012’de sıradan (uzaysal) kristaller hakkında bir sınıf öğretirken bu fikri tasarladı. Çok geçmeden bu dergiye “Uzaydaki kristalleri düşünürseniz, kristalin davranışının zaman içindeki sınıflandırmasını düşünmek de çok doğaldır” dedi.
Bir karbon atomu kümesinin kristal fazı olan bir elmas düşünün. Küme, uzayda her yerde aynı denklemler tarafından yönetilir, ancak atomların kafes noktalarında konumlandığı periyodik uzaysal varyasyonlara sahip bir biçim alır. Fizikçiler bunun “uzay-çeviri simetrisini kendiliğinden bozduğunu” söylüyorlar. Yalnızca minimum enerji dengesi durumları bu şekilde uzamsal simetrileri kendiliğinden bozar.
Wilczek, elmas gibi dengede olan çok parçalı bir nesne tasavvur etti. Ancak bu nesne zaman-dönüştürme simetrisini bozar: Periyodik harekete uğrar ve düzenli aralıklarla ilk konfigürasyonuna döner. Wilczek’in önerdiği zaman kristali, örneğin bir duvar saatinden – aynı zamanda periyodik hareket de olan bir nesneden – derinden farklıydı. Saat kolları enerji yakar ve pil bittiğinde durur. Bir Wilczekian zaman kristali girdi gerektirmez ve sistem ultra kararlı denge durumunda olduğu için süresiz olarak devam eder.
Kulağa mantıksız geliyorsa, öyledir: Birçok heyecan ve tartışmadan sonra, 2014 yılındaki bir kanıt, Wilczek’in reçetesinin, tarih boyunca tasarlanan diğer tüm sürekli hareket makineleri gibi başarısız olduğunu gösterdi. O yıl, Princeton’daki araştırmacılar başka bir şey düşünüyorlardı. Khemani ve doktora danışmanı Sondhi, Anderson lokalizasyonunun bir uzantısı olan çok cisim lokalizasyonu üzerinde çalışıyorlardı.
Bir elektron en iyi, farklı yerlerdeki yüksekliği parçacığı orada tespit etme olasılığını veren bir dalga olarak resmedilir. Dalga doğal olarak zamanla yayılır. Ancak Philip Anderson, bir kristal kafeste rastgele kusurların varlığı gibi rastgeleliğin, elektron dalgasının kırılmasına, kendi kendine yıkıcı bir şekilde müdahale etmesine ve küçük bir bölge dışında her yerde iptal olmasına neden olabileceğini keşfetti. Parçacık lokalize olur.
İnsanlar onlarca yıldır birden fazla parçacık arasındaki etkileşimin girişim etkisini yok edeceğini düşündüler. Ancak 2005’te Princeton ve Columbia üniversitelerindeki üç fizikçi, tek boyutlu bir kuantum parçacıkları zincirinin çok vücut lokalizasyonunu deneyimleyebileceğini gösterdi; yani hepsi sabit bir durumda takılıp kaldılar. Bu fenomen, zaman kristalinin ilk bileşeni olacaktı.
Her biri yukarı, aşağı veya her iki yönün de bir olasılığını gösteren manyetik bir yönelime (veya “dönmeye”) sahip bir dizi parçacık hayal edin. İlk dört dönüşün başlangıçta yukarı, aşağı, aşağı ve yukarıyı gösterdiğini hayal edin. Döndürmeler kuantum mekaniksel olarak dalgalanacak ve mümkünse hızlı bir şekilde hizalanacaktır. Ancak aralarındaki rastgele etkileşim, parçacık sırasının belirli konfigürasyonlarında sıkışmasına, yeniden düzenleyememesine veya termal dengeye oturamamasına neden olabilir. Süresiz olarak yukarı, aşağı, aşağı ve yukarı işaret edecekler.
Sondhi ve yardımcısı çok vücutlu yerelleştirilmiş sistemlerin özel bir tür düzen sergileyebileceğini keşfetmişti; bu, bir zaman kristalinin ikinci anahtar bileşeni haline gelecekti: Sistemdeki tüm dönüşleri (aşağı, yukarı, yukarı ve aşağı) çevirirseniz. örneğimizde), başka bir kararlı, çok gövdeli yerelleştirilmiş durum elde edersiniz.
Kaynak: quantamagazine.org
30.07.2021
İleri okuma: https://www.quantamagazine.org/first-time-crystal-built-using-googles-quantum-computer-20210730/
