Фізики зробили ще один крок до майбутнього квантових технологій, відкривши незвичайну форму матерії — так званий «кристал часу з варіаціями», або rondeau time crystal. Це відкриття не лише розширює наше розуміння природи часу в квантовому світі, а й може наблизити створення стабільнішої та надійнішої квантової пам’яті.
Кристали, які існують у часі
Звичайні кристали — від алмазу до льоду — мають чітку структуру, що повторюється у просторі. Саме тому їх іноді називають «просторовими кристалами». Кристали часу працюють за іншим принципом: їхня структура повторюється не в просторі, а в часі. Вони постійно коливаються з фіксованим ритмом, не втрачаючи енергії, що робить їх надзвичайно привабливими для квантових комп’ютерів.
Ідею кристалів часу теоретично запропонували ще у 2012 році. Відтоді вони стали однією з ключових тем у розмовах про те, як зменшити помилки в квантових обчисленнях і створити надійні осередки квантової пам’яті. Проте, попри великий інтерес, ми досі знаємо про них далеко не все.
Не всі кристали часу однакові
Вчені вже з’ясували, що кристали часу бувають різними. Одні потребують зовнішнього «підштовхування» для підтримки ритму, інші здатні коливатися самі по собі. Нова робота, опублікована в журналі Nature Physics, описує ще один, значно складніший варіант.
Йдеться про фазу матерії, де поєднуються дві протилежності: довготривалий часовий порядок і короткочасний хаос. Саме цю дивну комбінацію автори назвали rondeau time crystal.
Натхнення з музики та мистецтва
Назва виникла не випадково. У музиці рондо (або rondeau) — це форма, де головна тема постійно повторюється, але щоразу з варіаціями. Найвідоміший приклад — «Rondo alla Turca» Моцарта. Принцип той самий: знайомий ритм, доповнений змінами.
За словами одного з авторів дослідження, аспіранта Каліфорнійського університету в Берклі Лео Муна, подібне поєднання порядку і різноманіття характерне не лише для мистецтва, а й для природи. Наприклад, у льоді атоми кисню утворюють впорядковану решітку, тоді як атоми водню розташовані хаотично. Цей локальний безлад теж несе важливу інформацію.
Як створили кристал часу в лабораторії
Для експерименту вчені використали алмази з атомами вуглецю-13. У кристалічній решітці алмазу є дефекти — атоми азоту поруч із порожніми «вакансіями». Такі структури відомі як NV-центри. Під дією лазерів і мікрохвиль ці центри можна керовано поляризувати, впливаючи на квантові спіни атомів.
Завдяки точно підібраній послідовності імпульсів команда змогла створити стан, у якому кристал демонструє стабільний часовий ритм, але з внутрішніми короткими коливаннями — тими самими «варіаціями». Ба більше, у цих часових патернах дослідники змогли зберігати інформацію, фактично використовуючи час як носій даних.
Чому це важливо для квантових технологій
Хоча експеримент проводили з алмазами, вчені наголошують: принцип підходить і для інших квантових платформ. Це відкриває нові можливості для створення квантових симуляторів, пам’яті та логічних елементів, стійких до шуму й помилок.
Дослідники вважають, що поєднання довготривалого порядку з контрольованим хаосом може стати ключем до більш надійних квантових систем. І хоча до практичних застосувань ще далеко, новий тип кристалів часу додає ще одну важливу деталь до мозаїки майбутніх квантових технологій.