Фізика, що лежить в основі кристалів часу, майже така ж чарівна, як випливає з назви. У той час як типові кристали, такі як лід або алмази, утворюють повторювану структуру решітки в найнижчому енергетичному стані — свого роду космічний кристал, якщо хочете — кристал часу використовує ту саму ідею та застосовує її до, власне, часу, де квантова система частинок коливається за повторюваними шаблонами.
На перший погляд, кристали часу підривають деякі фундаментальні розуміння класичної фізики, зокрема першого та другого законів термодинаміки. Іншими словами, кристали часу можуть бути своєрідним вічним двигуном. Ці три слова повинні викликати тривогу та викликати спогади про шкільні уроки фізики, оскільки загальновизнано, що така машина неможлива.
Однак, у новому дослідженні, опублікованому в журналі Nature Communications, детально описано, як їм вдалося підключити кристал безперервного часу (CTC), який спонтанно порушує симетрію безперервного перенесення часу, до зовнішнього джерела, створюючи оптомеханічну систему. Дослідники з Університету Аалто кажуть, що цей прорив може мати значні наслідки для квантових обчислень.
«Вічний рух можливий у квантовому світі, якщо він не порушується зовнішнім впливом енергії, наприклад, спостереженням. Саме тому кристал часу ніколи раніше не був підключений до жодної зовнішньої системи», – сказав у прес-релізі провідний автор дослідження Єре Мякінен з Університету Аалто . «Але ми зробили саме це і вперше показали, що за допомогою цього методу можна регулювати властивості кристала».
Зазвичай, коли щось порушує давній закон фізики, це означає, що наука рухається в неправильному напрямку, але це не зовсім те, що роблять ці кристали часу. В інтерв’ю журналу Quanta у 2023 році фізик-теоретик Стенфордського університету Ведіка Хемані, яка не пов’язана з цим новим дослідженням, каже, що закони насправді не порушені:
«Це просто середовище, в якому закон термодинаміки не застосовується. А це тому, що другий закон термодинаміки говорить, що системи досягають станів рівноваги, що максимізують ентропію… ми говоримо про квантові системи, які можуть залишатися поза рівновагою, а це означає, що всі наші звичні уявлення про те, як думати про фази матерії, обмежені законами рівноважної термодинаміки, слід переглянути».
У цьому конкретному дослідженні вчені використовували радіохвилі для накачування магнонів — різновиду квазічастинок — у надрідину гелію-3 за температур поблизу абсолютного нуля. Коли вони вимкнули насос, магнони утворили кристал часу, що тривав 108 циклів, або кілька хвилин. Коли кристал часу згасав, він з’єднувався з механічним осцилятором, причому головним чином таким чином, що визначається самим осцилятором.
«Ми показали, що зміни частоти часового кристала повністю аналогічні оптомеханічним явищам, широко відомим у фізиці», – сказав Мякінен у прес-релізі. «Зменшуючи втрати енергії та збільшуючи частоту цього механічного осцилятора, нашу установку можна оптимізувати для досягнення меж квантового світу».
За словами Мякінена, завдяки подальшому вдосконаленню такі кристали часу можуть знайти своє застосування в квантових комп’ютерах, оскільки вони працюють довше, ніж системи пам’яті, що використовуються сьогодні. Минуло менше десяти років з моменту першого експериментального підтвердження існування кристала у 2016 році, і нові дослідження продовжують показувати, що нам ще багато чого потрібно вивчити.