Впервые созданы пространственно-временные кристаллы

Уникальность временных кристаллов заключается в их хиральности (зеркальной асимметричности), в то время как законы физики, управляющие их формированием, симметричны во всех направлениях. Их существование предсказал нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек и его коллега Альфред Шапир, но возможность создания таких кристаллов была под вопросом.

Группа физиков под руководством Криса Монро впервые получила в лаборатории пространственно-временные кристаллы. В теории их задача состояла в том, чтобы создать квантовую систему, группу ионов, расположенных кольцом, и охладить до самого низкого энергетического состояния. В таких условиях, по законам физики, кольцо должно быть идеально неподвижным. Но если временная симметрия нарушена, то кольцо периодически меняется во времени. Другими словами, оно будет крутиться.

Однако, на практике все несколько сложнее. Главная проблема состоит в том, что квантовый мир не управляется зависящими от времени переменными, так что временная симметрия не может быть нарушена в этой системе. Поэтому в обычных обстоятельствах охлаждение ионов приведет к их неподвижности.

Тем не менее, есть обстоятельства, при которых квантовые системы развиваются во времени. Крис Монро и его команда ученых Университета Мэриленда обратили внимание на ионы иттербия, чьи спины взаимодействуют друг с другом. Эти спины можно менять при помощи лазера. Если поменять спин в одном ионе, поменяется и в соседнем.

Но когда Монро измерил частоту колебаний ионов, он обнаружил, что, если оставить систему развиваться самостоятельно, взаимодействия продолжают происходить с периодичностью, увеличенной в два раза. Единственное объяснение заключается в том, что временная симметрия была нарушена. Другими словами, Монро и его коллеги создали временной кристалл.

Что касается практического применения, то ученые предлагают ряд вариантов. Например, кристаллы можно использовать для выполнения задач квантовых вычислений, таких как создание надежной квантовой памяти, пишет MIT Technology Review.

В начале сентября возможность существования временных кристаллов подтвердили физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и исследовательского центра Microsoft Station Q. Они определили условия спонтанного нарушения временной симметрии, и использовали затем симуляцию для предсказания появления этой нарушенной симметрии в большом классе квантовых систем.