Кристаллы времени могут быть использованы для создания точных квантовых часов

Фото из открытых источников

Кристаллы времени — это редкое явление в квантовой физике, но новые расчеты показывают, что эти необычные материалы могут быть полезны для создания очень точных часов.

Все кристаллы определяются повторением — обычные кристаллы состоят из атомов, расположенных в повторяющихся узорах, а кристаллы времени имеют повторяющуюся структуру во времени. Если наблюдать за кристаллом времени достаточно долго, можно увидеть, как он циклически проходит через один и тот же набор конфигураций снова и снова. Более того, это циклическое изменение возникает спонтанно, не потому, что материал вынужден его поддерживать, а потому, что это его предпочтительная фаза, подобно тому, как предпочтительной фазой воды при низкой температуре является лед.

Людмила Виотти из Международного центра теоретической физики им. Абдуса Салама в Италии и ее коллеги показали, что некоторые кристаллы времени могут быть хорошим строительным блоком для очень точных квантовых часов.

Они математически проанализировали систему, состоящую из до 100 квантово-механических частиц, каждая из которых имела два различных состояния, определяемых свойством квантового спина, подобно тому, как монета на столе имеет два различных состояния, определяемых тем, какой стороной она обращена вверх. Конкретная спиновая система, которую изучали исследователи, могла стать временным кристаллом или существовать в более обычной фазе, не осциллирующей во времени, и могла использоваться в качестве часов в любой из этих фаз. Команда рассчитала, как производительность часов, созданных из спинов — их точность и прецизионность — в фазе временного кристалла будет сравниваться с часами, созданными из спинов в этой «нормальной» фазе.

«В нормальной фазе, если вы хотите разрешать меньшие интервалы времени, вы будете экспоненциально терять точность. В фазе временного кристалла при том же разрешении вы можете получить гораздо более высокую точность», — говорит Виотти. Хотя часы на основе спинов обычно становятся менее точными, если вы хотите, например, измерять секунды, а не минуты, этого не происходит, если спины сначала образуют временной кристалл.

Марк Митчисон из Королевского колледжа Лондона говорит, что неудивительно, что временной кристалл может стать многообещающей отправной точкой для создания часов, но до сих пор отсутствовал строгий анализ этого преимущества. Он и его коллеги ранее доказали, что почти любую случайную последовательность событий можно превратить в часы, но система с самоподдерживающимися колебаниями с самого начала обеспечивает более похожую на часы структуру, говорит он.

«Около 10 лет мы знаем о существовании временных кристаллов, но до сих пор неясно, как их использовать», — говорит Кшиштоф Саша из Ягеллонского университета в Польше. «Так же, как обычные кристаллы можно использовать как для ювелирных изделий, так и для создания компьютерных процессоров, мы хотели бы, чтобы временные кристаллы позволили создать и полезные технологии».

Вряд ли временные кристаллы превзойдут лучшие в мире часы, которые изготавливаются из чрезвычайно холодных атомов, говорит он, но они все же могут стать альтернативой системам измерения времени, основанным на спутниковых системах, таких как GPS, которые могут быть нарушены злоумышленниками. Часы, созданные на основе временных кристаллов, также могут стать основой для датчиков магнитных полей, поскольку даже ничтожно малые величины таких полей будут нарушать ход часов, говорит Митчисон.

Однако, прежде чем временные кристаллы можно будет использовать на практике, предстоит еще много работы, говорит Виотти. Например, разработанную систему на основе спина следует сравнить с другими системами, которые ведут себя как точные часы, и протестировать в эксперименте с реальными спинами.