Время пошло вспять: найден способ заставить квантовые частицы тикать вечно без подзавода

В квантовой физике существуют явления, которые долгое время считались скорее теоретическим курьёзом, чем основой для технологий. Одним из таких примеров стали кристаллы времени — системы, способные повторять своё состояние не в пространстве, а во времени. Новые расчёты показывают, что это странное свойство может оказаться полезным для создания сверхточных часов. Об этом сообщает издание New Scientist.

Что такое кристаллы времени и чем они отличаются от обычных материалов

Обычные кристаллы хорошо знакомы физикам и химикам: их атомы выстроены в строгие, регулярно повторяющиеся структуры. У кристаллов времени принцип похожий, но повторение происходит не в расположении частиц, а в их эволюции во времени. Если наблюдать такую систему достаточно долго, можно заметить, что она снова и снова проходит через одни и те же квантовые конфигурации.

Подобные идеи всё чаще обсуждаются в контексте фундаментальных теорий, где время рассматривается как динамическая переменная, а не абсолютно фиксированная величина.

Ключевая особенность кристаллов времени в том, что эти колебания возникают сами по себе. Система не нуждается во внешнем "толчке", чтобы поддерживать ритм, — цикличность является её естественным состоянием.

По аналогии с водой, которая при низкой температуре самопроизвольно превращается в лёд, кристалл времени выбирает фазу с периодическими изменениями. Интерес к таким фазам усилился после того, как физики начали обнаруживать новые квантовые состояния материи, возникающие вблизи критических точек.

Именно эта самоподдерживающаяся динамика давно привлекает внимание исследователей, однако до недавнего времени оставалось неясно, можно ли превратить её в практический инструмент.

Квантовые спины как основа для новых часов

Группа учёных под руководством Людмилы Виотти из Международного центра теоретической физики имени Абдуса Салама в Италии провела подробный математический анализ спиновой системы. В расчётах рассматривалась модель из нескольких десятков квантовых частиц — до 100, — каждая из которых могла находиться в одном из двух состояниях, определяемых спином.

Такая система, как показали расчёты, способна существовать в двух режимах. В одном случае она образует временной кристалл и начинает регулярно осциллировать, в другом — остаётся в "обычной" фазе без устойчивых временных повторов. В обоих вариантах её можно использовать как часы, но характеристики оказываются разными.

"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 исследователь Людмила Виотти.

Это означает, что при попытке измерять короткие промежутки времени обычные спиновые часы быстро теряют надёжность, тогда как временной кристалл сохраняет стабильный ритм.

Потенциал и ограничения технологии

По мнению физика Марка Митчисона из Королевского колледжа Лондона, идея использовать временные кристаллы в качестве основы для часов выглядит логичной. Системы с внутренними, самоподдерживающимися колебаниями изначально ближе к понятию "часов", чем случайные квантовые процессы.

"Около 10 лет мы знаем о существовании временных кристаллов, но до сих пор неясно, как их использовать", — отмечает физик Кшиштоф Саша из Ягеллонского университета.

Учёные подчёркивают, что такие часы вряд ли превзойдут самые точные современные эталоны времени, основанные на сверххолодных атомах. Однако у них может быть другое преимущество — автономность. В отличие от спутниковых систем навигации и синхронизации, такие устройства потенциально менее уязвимы для внешнего вмешательства.

Кроме того, чувствительность временных кристаллов к малейшим возмущениям делает их перспективными для создания высокоточных магнитных датчиков. Даже слабые магнитные поля способны нарушать их ход, что можно использовать для измерений.

В то же время сами авторы подччеркивают, что путь от теоретических расчётов до реальных приборов ещё далёк от завершения. Спиновые системы необходимо сравнить с другими квантовыми часами и проверить в лабораторных экспериментах. Тем не менее работа показывает, что временные кристаллы постепенно переходят из разряда экзотики в категорию потенциально полезных квантовых технологий.