• РЕГИСТРАЦИЯ

Физики предложили «невозможный» кристалл в непрерывном времени

JeDi
Будущее - это технологии
20 ноября 20:07 5 854

Переход между состояниями |E0⟩ и |E1⟩, сопровождающий эволюцию системы во времени

Valerii Kozin& Oleksandr Kyriienko // Physical Review Letters, 2019

Физики из Университета ИТМО теоретически предсказали «истинный» временной кристалл, который существует в непрерывном времени. До сих пор считалось, что такие кристаллы создать невозможно. Чтобы обойти запрет на создание таких кристаллов, ученым пришлось пожертвовать локальностью взаимодействий между частями системы — грубо говоря, предложенный временной кристалл можно создать только на основе системы, в которой каждый атом напрямую связан со всеми остальными атомами (а не только с ближайшими соседями). Впрочем, отсутствие локальности не означает, что предложенную модель нельзя реализовать на практике. Статья опубликована в Physical Review Letters, препринт работы выложен на arXiv.org.

Физики называют кристаллами системы, которые периодичны в пространстве и сохраняют свою структуру при сравнительно слабых возмущениях. Другими словами, такая система переходит сама в себя только при определенных дискретных преобразованиях, которые сводятся к трансляциям (сдвигам) на фиксированный вектор. Например, простая кубическая решетка сохраняется при сдвигах на вектора, построенные из трех перпендикулярных векторов одинаковой длины. Большинство известных кристаллов состоят из атомов, однако определение кристалла легко можно распространить и на другие системы с дискретной пространственной симметрией. В частности, к настоящему времени ученые уже научились создавать кристаллы из фотонов и сыпучих материалов.

Кроме того, определение кристалла можно естественным образом обобщить на четырехмерное пространство, потребовав от системы дополнительной инвариантности при трансляциях во времени. Впервые такое обобщение предложил в 2012 году нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек. К сожалению, несколько лет спустя японские исследователи Харуки Ватанабе и Масаки Ошикава показали, что на практике пространственно-временные кристаллы создать невозможно: если система попадает в состояние с минимальной возможной энергией, она находится в нем неограниченно долго, а если выходит из минимума, то теряет периодичность во времени.

Впрочем, в предложенном доказательстве оставались лазейки. Во-первых, оно предполагало, что эволюция системы стационарна. Во-вторых, ученые ограничились рассмотрением близкодействующих частиц, потенциал которых степенным образом убывает с расстоянием. Впоследствии первая лазейка позволила создать так называемые «кристаллы в дискретном времени» — системы, которые периодически «подталкивают» внешнее воздействие и которые инвариантны относительно трансляций на промежуток, в несколько раз превышающий период воздействия. Подробнее про такие системы можно прочитать в статье Игоря Иванова. Вторая лазейка до сих пор учеными не использовалась. В то же время, потенциально она позволяет получить полноценные кристаллы, которые нарушают симметрию не дискретного, а непрерывного времени — так же, как обычные кристаллы нарушают симметрию непрерывного пространства.

Физики Валерий Козин и Александр Кириенко использовали эту лазейку и впервые предложили модель кристалла в непрерывном времени. Чтобы проверить, что построенный гамильтониандействительно описывает временной кристалл, ученые использовали строгое определение, предложенное Ватанабе и Ошикавой. Согласно этому определению, временной кристалл — это система, в которой корреляционная функция от двух операторов, отвечающих параметрам порядка и взятых в разные промежутки времени, в термодинамическом пределе стремится к периодической функции. Фактически это определение эквивалентно утверждению, что временной кристалл состоит из большого числа подсистем, а его структура периодически повторяется во времени. В качестве подсистем ученые выбрали квантовые состояния набора кубитов, а в качестве параметра порядка — суммарный магнитный момент системы вдоль заданной оси.

Сначала исследователи попытались построить гамильтониан временного кристалла в наиболее общем виде. Для этого физики выбрали основное состояние |E0⟩ с фиксированной энергией, а затем с помощью оператора полного магнитного момента построили из него вспомогательное состояние |E1⟩∝M̂z|E0⟩. Оставшиеся N−2 состояний ученые определили таким образом, чтобы они были ортогональны первым двум.

Оказалось, что в системе, собранной из таких состояний, условие существования временного кристалла сводится к двум простым условиям. С одной стороны, в пределе большого числа состояний среднее значение квадрата магнитного момента системы должно быть больше нуля. С другой стороны, значение магнитного момента в основном состоянии должно быть равно нулю для произвольного размера системы. Если оба этих условия выполнены, требуемая корреляционная функция периодична, а система описывает временной кристалл. Для надежности ученые также проверили, что полученная структура устойчива относительно слабых возмущений, и обобщили выкладки на случай конечной температуры.

 

Зависимость корреляционной функции от времени (левый столбец) и ее спектр (правый столбец) при нулевой (верхний ряд) и единичной (нижний ряд) температуре

Valerii Kozin& Oleksandr Kyriienko // Physical Review Letters, 2019

Примером основного состояния, которое удовлетворяет требуемым условиям, является состояние Гринбергера — Хорне — Цейлингера (GHZ states) — суперпозиция состояний, в которых все спины направлены вверх и вниз. В принципе, такое состояние (а также дополняющие его ортогональные состояния с более высокой энергией) вполне можно реализовать с помощью системы кубитов.

Важно отметить, что гамильтониан, отвечающий построенному временному кристаллу, получился сильно нелокальным. Если переписать его в терминах взаимодействий между отдельными кубитами, окажется, что каждый кубит напрямую влияет как минимум на половину оставшихся кубитов (ученые доказали, что менее нелокальный гамильтониан временному кристаллу отвечать не может). Другими словами, любое возбуждение мгновенно охватывает всю описанную систему. В каком-то смысле, нелокальность — это необходимая плата за нарушение непрерывной симметрии относительно произвольных трансляций во времени. Впрочем, это условие не означает, что предложенную идею нельзя реализовать на практике — в принципе, сейчас физики уже умеют строитьнелокальные системы кубитов.

Один из первых кристаллов в дискретном времени построила в 2016 году группа физиков под руководством Кристофера Монро. Основой для кристалла служила неравновесная система из нескольких охлажденных атомов. А в октябре 2018 исследователи из Нидерландов впервые создали «пространственно-временной кристалл» в бозе-конденсате холодных атомов натрия, пойманных в оптическую ловушку. Такие кристаллы одновременно периодичны и в дискретном времени, и в пространстве.

Дмитрий Трунин

https://nplus1.ru/news/2019/11...

Будущее - это технологии

Первая и последняя встреча Путина с Зеленским

Как вы думаете, почему Владимир Путин согласился поучаствовать в нормандском саммите, в этом странном мероприятии, заранее обреченном на провал? Вот и я не знаю. Могу лишь предположить. Для н...

Итоги года: Россия побеждает в гибридной войне

                       Совсем недолго остается до боя кремлевских курантов, которые возвестят нам о наступлении Нового Года, а...

Меркель поднимает ставки перед встречей в Париже

Как и следовало ожидать, намёк с законом о госгранице ДНР в Европе поняли хорошо и он им не понравился. Россия фактически показала Берлину и Парижу крайнюю ограниченность их пространств...

Ваш комментарий сохранен и будет опубликован сразу после вашей авторизации.

0 новых комментариев

    JeDi Сегодня 16:28

    Google Maps будет оповещать пользователей о темных улицах

    В коде бета-версии Google Maps обнаружили упоминание о новой функции сервиса, которая будет указывать на темные улицы. В картах введут градация степени освещения — от яркого до слабого. Официальных комментариев о новой функции пока нет.   По словам экспертов из XDA, сообщества разработчиков для Android, в Google Maps появились признаки п...
    67
    JeDi Сегодня 16:06

    Ростех открыл крупнейшее в России производство лопаток турбин для двигателей

    Госкорпорация Ростех открыла на базе рыбинского предприятия «ОДК-Сатурн» крупнейший в России центр по изготовлению лопаток турбин для авиационных, морских и промышленных двигателей. Инновационное производство позволит ежегодно выпускать компоненты для более чем 2 тысяч авиадвигателей – российских и зарубежных. Объем инвестиций в проект превыси...
    363
    JeDi Сегодня 10:39

    Как взламывают Wi-Fi

    Если вы думаете, что это скриншот интерфейса роутера D-Link вы ошибаетесь. Это скриншот подделки его интерфейса, генерируемый программой взлома Wi-Fi. Прочитал статью, как с помощью специальных программ и социальной инженерии взламывают Wi-Fi. Всё довольно просто. С помощью мощного Wi-Fi-адаптера злоумышленник создаёт Wi-Fi сеть с точно таким же именем, ...
    1634
    JeDi Вчера 20:31

    Астрономы обнаружили испаряющийся ледяной гигант обращающийся вокруг белого карлика

    Благодаря помощи Очень Большого Телескопа ESO, международной команде исследователей удалось обнаружить доказательства существования крупной экзопланеты у белого карлика — плотного остатка звезды, некогда напоминавшей наше Солнце. Это первая подобная находка в истории астрономии. В общем сложности, ученые обследовали около 7000 белых карликов из Слоуно...
    270
    JeDi Вчера 17:55

    Новый гидрогель твердеет в 1,8 тыс. раз при нагревании

    Японские физики создали полимерный гидрогель, который при нагревании твердеет в 1,8 тыс. раз. Об этом говорится в сообщении Университета Хоккайдо. Ученые создали материал, вдохновившись живущими внутри экстремофилов белками. Такие организмы способны выживать в чрезвычайно жарких условиях, например в горячих источниках или в окрестностях подземных вулканов. Обыч...
    312
    JeDi Вчера 16:04

    Лука Пармитано потренировался управлять ровером из космоса

    25 ноября Европейское космическое агентство провело любопытный эксперимент. Находящийся на МКС астронавт Лука Пармитано потренировался в управлении четырехколесным ровером Analog-1. Цель эксперимента заключалась в проверке возможности дистанционного управления луноходом с борта космической станции. Испытания проводились в закрытом помещении, в котором с ц...
    200
    JeDi 5 декабря 14:28

    Обнаружена невозможная "чёрная дыра"

    Астрономы обнаружили чёрную дыру, которая не может существовать в Галактике согласно общепринятым теориям. Теперь учёным предстоит объяснить, откуда она взялась. Открытие описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature. Напомним, что чёрная дыра звёздной массы образуется на месте взрыва сверхновой, если масса взорвавшейся звезды превышала 30 с...
    637
    JeDi 5 декабря 11:41

    "Роскосмос" ответил на прогноз о крахе России как космической державы

    МОСКВА, 4 дек — РИА Новости. Руководитель пресс-службы "Роскосмоса" Владимир Устименко в ответ на статью The Hill заявил, что российскую космическую сферу "хоронят" не в первый раз. Его слова передает "Газета.Ru". Ранее американское издание назвало запуск в США регулярных пилотируемых миссий...
    838
    JeDi 5 декабря 10:37

    «Хаббл» сфотографировал «эталонную» галактику NGC 3749

    Астрономы используют множество методов и техник для изучения далеких галактик. Одним из основных является разложение испускаемого ими излучения в спектр и его последующий анализ. Этот процесс во многом напоминает создание радуги призмой при прохождении через нее света.Спектральный анализ позволяет получить множество сведений о галактике — ее типе, преобладающем ...
    267
    JeDi 4 декабря 16:51

    Прямоугольная сверхновая

    В центре представленного изображения можно увидеть объект дальнего космоса, известный под обозначением 3C 397 (G41.1-0.3). Он расположен на расстоянии 33 тыс. световых лет от Земли. Объект привлекает внимание своей необычной формой, чем-то напоминающая прямоугольник (или даже грелку). 3C 397 представляет собой остаток сверхновой, чья вспышка могла наблюдать...
    316
    JeDi 3 декабря 17:52

    Как развитие технологий изменило британский рынок запрещенных веществ

    DEA / Reuters / Scanpix / LETA Майк Пауэр — британский журналист, автор книги «Наркотики 2.0», которая рассказывает, как благодаря интернету совершилась революция на мировом рынке торговли запрещенными веществами. Еще Пауэр — автор статей о распространении новых, прежде неизвестных человечеству наркотиков. В&n...
    745
    JeDi 3 декабря 16:14

    Российские ученые уточнят положение Южного магнитного полюса

    Российские ученые в ходе полугодового кругосветного похода на судне «Адмирал Владимирский» планируют уточнить местонахождение Южного магнитного полюса Земли. Об этом пишет РИА Новости со ссылкой на заместителя директора по научной работе института прикладной геофизики имени Федорова (ИКИ) Росгидромета Владимира Минлигареева. Магнитное поле...
    544
    JeDi 3 декабря 15:14

    Словенцы занялись разработкой грузового дрона

    801 Pipistrel Словенская компания Pipistrel занялась разработкой грузового электрического дрона, который планируется ввести в эксплуатацию уже в 2022 году. Об этом, как пишет eVTOL, заявил директор Pipistrel по исследованиям и разработкам Тине Томажич. По его словам, новый дрон будет частично основан на проек...
    225
    JeDi 3 декабря 14:44

    Операторы нашли «дыру» в законе о суверенном Рунете — он не защищает данные абонентов

    Российские операторы связи на закрытом заседании в Совете Федерации попросили внести поправки во вступивший в силу закон о суверенном Рунете. Поводом стало то, что «технические средства противодействия угрозам безопасности интернета», которые операторы вынуждены устанавливать на своих сетях, не защищают данные абонентов от третьих лиц, пишет РБКсо ссы...
    315
    JeDi 3 декабря 14:25

    Amazon представил музыкальный синтезатор с ИИ — он умеет превращать простую мелодию в композицию

    Компания Amazon представила музыкальный синтезатор DeepComposer, который с помощью нейросетей позволяет создавать полноценную песню на базе основной мелодии. В частности, искусственный интеллект накладывает на наигранную пользователем мелодию партию барабанов, бас-гитары и других инструментов. Разработка описана в блоге компании.   Исследовате...
    383
    JeDi 2 декабря 21:51

    Что не так с Google Pixel 2XL !?

    В ремонте Google Pixel 2XL, который не включается. Без какой-либо предыстории. Внутри у этой серии пикселей, как многие знают, начинка от LG. В плане ремонтопригодности, фирма меня полностью устраивает. По классике, через год-полтора-два, от перегрева , отваливается либо кристалл у ранних моделей Qualcomm, либо оперативка у более поздних. Сначала снимаем...
    2236
    JeDi 2 декабря 20:31

    Путин подписал закон о предустановке отечественного софта на гаджеты

    Президент России Владимир Путин подписал закон о предустановке российского  программного обеспечения (ПО) на гаджеты. Список приложений будет определять правительство. Нарушителям грозят штрафы до 1 млн рублей. Ранее бизнес попросил главу государства не подписывать этот закон. На официальном портале правовой информации был опубликован федеральный...
    1477
    JeDi 2 декабря 20:06

    Ученые вывели сорт яблок, которые остаются свежими целый год

    Исследователи из Университета Вашингтона создали новый сорт яблок, которые могут не портиться до года при соблюдении определенных условий хранения. Фрукты уже появились на прилавках в США, пишет New Atlas. Новый сорт получил название Cosmic Crunch («Космический хруст») — создать его удалось в результате скрещивания сортов Enterp...
    453
    JeDi 2 декабря 19:58

    Новый инструмент обнаруживает колебания тока и предотвращает пожары

    Инженеры из США представили новый инструмент, который определяет колебания тока в линиях электропередач и автоматически сообщает об этом коммунальным службам. Ученые уверены, что эта технология резко снизит количество лесных пожаров и случаев поражения людей током. Технологию под названием Distribution Fault Anticipation начали внедрять в нескольких ш...
    478
    JeDi 2 декабря 19:47

    Роскомнадзор почти год удаляет материалы о главе ВТБ Костине и журналистке Аскер-заде — но теперь об этом пишут все

    Беспрецедентный, по мнению юристов, случай неизбежно привёл к «эффекту Стрейзанд». Одна из четырёх до сих пор доступных совместных фотографий Андрея Костина и журналистки Наили Аскер-заде «Пикабу», источник заблокирован С лета 2018 года Роскомнадзор заблокировал более тысячи публикаций, не считая запрещаемых заодно доменов, о свя...
    5568
    Служба поддержи

    Яндекс.Метрика