Вчені вперше поєднали два часові кристали. Це великий крок у квантове майбутнє

Якщо говорити коротко, то це нова форма матерії, яка повністю перевертає наші знання про світ, адже вона порушує закон термодинаміки Ісаака Ньютона. Це квантовий об'єкт, який сам собою в природі не з’явиться через складну комбінацію його складових.

Звичайний кристал складається з атомів, які збираються в форми, що повторюються — кристалічні решітки. Ці форми дублюють одна одну у просторі, збираючись у єдину матерію — кристал.

Кристал часу — це, грубо кажучи, кристал у 4D, який дублює свою форму не тільки у просторі, а й у часі. Власне, часові кристали порушують основне правило класичної фізики, яке свідчить, що Всесвіт постійно рухається у бік ентропії. Новій формі матерії наплювати на правила класичної фізики, адже вона підкоряється «магічній» формі фізики — квантовій.

Щоб краще пояснити природу часового кристала, звернемося до аналогій.

Уявіть чашку з водою кімнатної температури. Коли ми кинемо в неї кубик льоду і той розчиниться, вода стане прохолоднішою. Через певний час вода повернеться до кімнатної температури.

Так ось, кристал часу — це така форма матерії, яка може бути льодом, розчинитись у воді, а потім знову стати крижинкою. А потім знову водою. І знову льодом. І все це — зараз найважливіше — без жодних втрат і використання енергії.

Система з часових кристалів

«Всі знають, що вічні двигуни неможливі. Однак у квантовій фізиці вічний рух припустимий, поки ми тримаємо очі заплющеними. Використовуючи цю щілину, ми можемо створювати часові кристали», — говорить Самулі Аутті, керівник команди вчених, котрі стоять за новим дослідженням, результати якого були опубліковані в журналі Nature Communications.

Часові кристали, з якими працювала команда, складалися з магнонів — квазічастинок, які відповідають елементарному збудженню системи спінів, що взаємодіють. Вони з’являються, коли кристали поміщають у гелій-3 — стабільний ізотоп гелію з двома протонами, але з одним нейтроном, — охолоджений практично до абсолютного нуля. Так створюється надплинна рідина з нульовою в’язкістю та низьким тиском.

У цьому середовищі темпоральні кристали утворюють конденсати Бозе-Ейнштейна — п’ятий гіпотетичний стан матерії після твердого, рідкого, газоподібного і плазмового — з магнонних квазічастинок. Тут вони розташовані максимально близько одна до одної, створюючи хмару атомів високої щільності, яка діє як «суператом». Коли два ці суператоми наблизили один до одного, вони обмінялися магнонами, створивши єдину систему, яка може працювати в двох дискретних станах.

Це — ідеальна основа для квантових технологій, оскільки часові кристали можна використовувати як кубіти, до того ж із надзвичайно низьким енергоспоживанням. Однак спершу вченим потрібно розібратися з величезною кількістю перепон — насамперед зі схильністю квантових систем до помилок. Докладніше про цю проблему ми розповідали тут.

Це лише перші кроки, проте, враховуючи, що ще кілька років тому часових кристалів взагалі не існувало, прогрес очевидний. А тому розв’язання цієї загадки не за горами. Цілком можливо, саме кристал часу може стати тим пазлом, якого не вистачає для здобуття справжньої квантової переваги.

Насправді часові кристали можуть бути набагато ближчими до реального застосування, ніж нам здається. Раніше цього року команда американських і польських фізиків зуміла створити та підтримувати роботу темпорального кристалу за кімнатної температури. Фактично вони уникли всього процесу з гелієм-3 і конденсатом Бозе-Ейнштейна, про який ми розповідали трохи вище. Це значно спрощує технологію створення часового кристала, адже охолодження до практично нульових температур потребує повної ізоляції від навколишнього середовища та складного лабораторного обладнання.

У майбутньому вченим необхідно буде розробити набагато складніші взаємодії часових кристалів, поступово збільшуючи їхню кількість. Останні роботи дослідників показують, що це насправді реально, хоча ще недавно така ідея здалася б нам гарною лише у контексті науково-фантастичного кіно.