Автор: TilekSamiev. Люди воспринимают пространство-время в четырёх привычных измерениях: три пространственных (глубина, ширина и длина) плюс время. В то время как большинство моделей Вселенной демонстрируют, что вся материя существует в пределах этих параметров, многие теории предполагают, что могут существовать всевозможные скрытые высшие измерения, которые скрыты за пределами нашего понимания.

Это научная фантазия, о которой слышали многие из нас, – проговорил советник по сельскому хозяйству. – Но разве её можно сделать реальностью? Я знаю, что наши физики уже научились манипулировать девятью из одиннадцати измерений микромира, но мы так пока и не представляем себе, с помощью какого пинцета можно встроить в протон интегральные схемы из макромира.

Разумеется, это невозможно. Изготовить микроинтегральные схемы можно только в макромасштабе и только на макроскопической двумерной плоскости. А это значит, что мы должны развернуть протон в два измерения.

Развернуть девятимерную структуру в два измерения? Какая же у нее тогда будет площадь?!

Очень большая, – улыбнулся советник по науке. – Погодите немного и сами увидите.

/ «Задача трёх тел» (Лю Цы Синь)

Хотя человек не смог освободиться от своего четырехмерного опыта, учёные неплохо справляются с моделированием дополнительных измерений путем создания так называемых «синтетических измерений». Эти тривиальные экспериментальные концепции дают возможность имитировать виды более высоких измерений, исследуемых в некоторых моделях Вселенной, с использованием материалов более низких измерений, существующих в реальном мире.

Эннеракт (девятимерный гиперкуб)

Для чего, а главное — зачем

В то время как исследования низкоразмерных материалов и структур были результативными, быстрый прогресс в топологии открыл дальнейшее изобилие потенциально полезных явлений за пределами трёх пространственных измерений, доступных в окружающем нас мире. Появилась концепция синтетического измерения, с помощью которого многоразмерные структуры могут размещаться на низкоразмерных платформах, используя непространственные степени свободы в качестве замены или дополнения геометрических. Благодаря гибкости настройки как амплитуды, так и фазы межузельных взаимодействий в синтетическом измерении, этот подход стал важным компонентом в реализации различных моделей топологической решётки с тех пор, как он был впервые применён в ультрахолодных атомарных газах.

Оптика и фотоника также стали областями, в которых моделирование различных явлений конденсированного состояния и топологических эффектов привлекает значительное внимание. Этот интерес обусловлен универсальностью фотоники как мощной платформы для исследования вопросов фундаментальной науки, а также перспективами новых приложений топологических эффектов для реализации фотонных устройств следующего поколения. Примеры их заметных функциональных возможностей и свойств, устойчивых к несовершенствам, включают надёжные линии передачи, безотражательные остро изогнутые волноводы или стабильные лазерные резонаторы.

Кроме того, синтетические размерности позволили использовать концепции более высокой размерности в устройствах более низкой размерности с меньшей сложностью, а также управлять критически важными функциями устройства, такими как оптическая изоляция на кристалле. Использование состояний вдоль внутренних степеней свободы фотона в качестве замены или дополнения к геометрическому измерению создает способ доступа к передовым явлениям, таким как реализация фотонных топологических изоляторов, мультипольных моментов более высокого порядка, локализации Андерсона, многомерный квантовый эффект Холла и фотонные точки Вейля.

Предлагаемая принципиальная схема нейроморфного фотонного процессора

Теперь, в первом своего рода эксперименте, учёные из Королевского мельбурнского технологического института, вместе с японскими коллегами создали прибор воссоздающее синтетическое измерение, крошечное фотонное устройство, известное как кремниевый кольцевой резонатор. Помимо демонстрации нового метода создания синтетических измерений, результаты позволят проводить дальнейшие эксперименты, «которые могут моделировать явления за пределами трёх измерений».