Физики из Гарвардского университета создали новую форму материи — так называемый «кристалл времени», которая могла бы объяснить загадочное поведение квантовых систем.
Кристаллы, в том числе соли, сахара или алмазов по своей сути — просто периодическое расположение атомов в трехмерной решетке. С другой стороны, считается, что кристаллы времени добавляют к этому определению четвертое измерение. Предполагается, что при определенных условиях некоторые материалы могут проявляться в своей структуре и во времени.
Под руководством профессоров физики Михаила Лукина и Юджина Демлера команда ученых построила квантовую систему с помощью небольшого алмаза с миллионами примесей атомного масштаба, известных как «азото-замещенная вакансия» (NV-центр). Они использовали микроволновые импульсы, чтобы вывести систему из равновесия, вызывая вращение в центре и переворачивая их через определенные интервалы времени.
«На текущий момент ведется постоянная работа, чтобы понять физику неравновесных квантовых систем. Это та область, которая представляет интерес для многих квантовых технологий, поскольку квантовый компьютер в основном — это квантовая система, далекая от равновесия. На самом деле здесь много чего нужно исследовать, а мы пока находимся лишь в самом начале», — сказал Михаил Лукин.
О том, что такие системы могут быть созданы, первоначально казалось маловероятным. На самом деле, некоторые исследователи в этом вопросе зашли очень далеко. Они доказали, что создать кристалл времени в квантовой системе, находящейся в равновесии, невозможно. Физики объясняют, что большинство объектов вокруг нас находится в равновесии. Если у вас есть что-то горячее и холодное, и вы их объедините — температура выровняется. Но не все системы работают по такому принципу. Одним из наиболее распространенных примеров материала, вышедшего из равновесия, является алмаз. Это кристаллизованная форма углерода, которая образуется при высокой температуре и давлении. Алмаз необычен тем, что он мета-стабильный, то есть получив свою форму, она остается неизменной даже после того, как из него уберут факторы тепла и давления.
Только недавно ученые начали понимать, что неравновесные системы могут проявлять характеристики кристалла времени. Одна из этих характеристик заключается в том, что ответная реакция кристалла со временем остается устойчивой по отношению к различным раздражителям. Эффект кристалла времени имеет прямое отношение к идее, что система возбуждается, но не поглощает энергию.
Чтобы создать такую систему, Лукин и его коллеги начали с небольшого алмаза, в который встроено много NV-центров. С помощью микроволновых импульсов ученые периодически меняли ориентацию их вращения, чтобы увидеть, будет ли материал продолжать реагировать как кристалл времени.
Такие системы могут иметь решающее значение в разработке полезных квантовых компьютеров и квантовых датчиков. Они демонстрируют тот факт, что два критических компонента — длинная квантовая память и высокая плотность квантовых битов не исключают друг друга. По словам физиков, исследование даст возможность создать новое поколение квантовых датчиков, и, возможно, получит применение для таких вещей, как атомные часы.
