Физики рассказали о создании первого «кристалла времени»

Американские физики под руководством Кристофера Монро из Университета Мериленда сообщили о создании первого «кристалла времени» в неравновесной системе из нескольких охлажденных атомов. Потенциально, такая система может использоваться в качестве носителя квантовой информации или выступать в роли сверхточных атомных часов. Описание системы выложено в виде препринта на сервере arXiv.org, кратко его содержание пересказывает MIT Technology Review.

Понятие кристалла по отношению ко времени физики обсуждают по аналогии с обычными пространственными кристаллами. Отличительной чертой последних является соблюдение строгого порядка в определенных направлениях. Описывая кристаллизацию вещества из насыщенного раствора, можно говорить о нарушении симметрии в жидкости, чьи свойства во всех направлениях одинаковы, и о сведении симметрии к нескольким ограниченным направлениям. Подобное нарушение симметрии, но уже во времени, позволяет говорить о гипотетических временных кристаллах, т. е. таких системах, где происходят строго периодические процессы.

Простейшим аналогом временного кристалла мог бы быть идеальный маятник, но движения маятника, даже самого лучшего, неизбежно затухают из-за потери им энергии. Понятно, что это справедливо по отношению ко всем макроскопическим системам, не только к маятникам. Однако некоторые физики полагают, что системы, которые смогут поддерживать периодическое движение и при этом будут совершенно стабильны во времени, все-таки можно создать в микроскопических масштабах — там, где потеря и приобретение энергии ограничено квантованием.

Одним из энтузиастов создания кристаллов времени является нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек, посвятивший им две основополагающие работы в 2012 году. В них идет речь о гипотетических квантовых и классических системах, в которых может наблюдаться неограниченное во времени движение (его не следует путать с вечным двигателем, т. к. извлечение энергии из этого движения принципиально невозможно). Эти модели, однако, были раскритикованы другими физиками, которые пришли к выводу, что существование кристаллов времени в равновесных системах с минимальной энергией невозможно. Минимальность энергии в данном случае играет принципиальное значение для возможности существования временных кристаллов. Именно она обеспечивает неограниченность движения во времени — если системе нечего терять, то она будет находиться в своем базовом состоянии бесконечно долго. Если же система нестабильна, то она просто не будет временным кристаллом.

В новой работе американские физики предлагают отказаться от требования минимальности энергии и обеспечить стабильность системы другим путем — с помощью эффекта, аналогичного так называемой андерсоновской локализации. Он сводится к тому, что волновая функция компонентов системы строго локализуется за счет интерференции компонентов друг с другом, в результате чего энергия не может покинуть систему. Такую систему авторы новой статьи называют «дискретным временным кристаллом».

Технически, система созданная группой Монро, представляет собой кольцо из атомов иттербия, находящееся на подложке в охлажденной ловушке. Каждый из атомов имеет собственный спин, за счет чего все они могут взаимодействовать друг с другом. Кроме того, физики могут менять спины некоторых атомов, производя возмущение в системе лазером: изменение спина одного атома приводит к изменению спина другого и так далее. В системе возникает осцилляция, частота которой обычно зависит от частоты возмущения, произведенного лазером.

Однако ключевым отличием новой системы, которое и позволяет говорить о создании временного кристалла, оказалось то, что частота собственных осцилляций системы никак не зависела от частоты вынуждающих колебаний драйвера (то есть лазера). По логике авторов, это говорит о том, что система достаточно изолирована от внешней среды, чтобы поддерживать неограниченное по времени периодическое изменение. Другими словам, такая система является «кристаллом времени». Достаточно мощные (надпороговые) внешние возмущения, конечно, могут его разрушить, но в целом он остается стабильным.

Изолированные и сильно скоррелированные системы представляют большой интерес в качестве носителей квантовой информации. Дело в том, что декогеренция, то есть распад квантового состояния системы, представляет собой одну из главных проблем квантовой связи и криптографии (о чем мы подробно писали). Если ученым удастся создать достаточно надежные временные кристаллы и научиться записывать в них информацию, это позволит значительно ускорить появление квантовых компьютеров.

Александр Ершов