Фізики зробили крок, який ще недавно здавався майже неможливим: їм уперше вдалося пов’язати кристал часу із зовнішньою механічною системою. Для науки це справді важлива подія, адже такі структури вважалися дуже «делікатними» — будь-яке втручання могло зруйнувати їхню незвичну поведінку. Тепер же дослідники показали, що кристал часу не лише можна з’єднати з іншою системою, а й керувати його властивостями. Це відкриває нові можливості для створення надточних сенсорів і вдосконалення квантових комп’ютерів.

Ідея кристала часу звучить майже фантастично. Якщо звичайний кристал, наприклад алмаз, має впорядковану структуру атомів у просторі, то кристал часу демонструє порядок не в просторі, а в часі. Іншими словами, така система повторює рух із чіткою періодичністю, залишаючись при цьому у своєму найнижчому енергетичному стані й не потребуючи постійного зовнішнього підживлення. Саме таку концепцію колись запропонував лауреат Нобелівської премії Френк Вільчек, а згодом існування кристалів часу підтвердили експериментально.

Нове дослідження провели в Університеті Аалто на кафедрі прикладної фізики. Команда під керівництвом дослідника Єре Мякінена змогла перетворити кристал часу на оптомеханічну систему. Простими словами, йдеться про таку конфігурацію, де квантовий об’єкт починає взаємодіяти з механічним осцилятором — системою, що здійснює коливання. Раніше саме це вважалося головною проблемою: кристал часу не підключали до зовнішніх систем, бо будь-який вплив, зокрема навіть спостереження, міг знищити його стабільний стан.

Щоб побудувати таку систему, вчені використали надплинний гелій-3, охолоджений майже до абсолютного нуля. У нього за допомогою радіохвиль вводили магнони — квазічастинки, які поводяться як єдине ціле, хоча насправді виникають із колективної поведінки багатьох частинок. Коли подачу радіосигналу припиняли, магнони формували кристал часу, який продовжував свій рух ще дуже довго за мірками квантових систем — до 108 циклів, тобто кілька хвилин. Поступово цей стан слабшав, але саме в процесі згасання кристал часу починав взаємодіяти з розташованим поруч механічним осцилятором.

Найцікавіше в тому, що зміни частоти кристала часу виявилися дуже схожими на явища, давно відомі в оптомеханіці. Це та сама фізика, яка, наприклад, використовується в детекторах гравітаційних хвиль на кшталт американської обсерваторії LIGO. Тобто мова вже не про екзотичну теорію заради самої теорії, а про ефекти, які мають цілком практичне значення. Якщо зменшити втрати енергії й підвищити частоту механічного осцилятора, система зможе працювати майже на межі квантового режиму, а це вже прямий шлях до нових високоточних технологій.

Перспективи тут справді великі. Одна з головних проблем квантових комп’ютерів полягає в тому, що квантові стани дуже нестабільні й швидко руйнуються. Кристали часу, навпаки, здатні існувати значно довше, ніж багато інших систем, які сьогодні використовують у квантових обчисленнях. Саме тому вчені розглядають їх як потенційну основу для квантової пам’яті, що могла б зробити майбутні комп’ютери набагато ефективнішими. Крім того, такі системи можна застосовувати як частотні еталони у надчутливих вимірювальних приладах, де потрібна виняткова точність.

Фактично це дослідження знімає одну з головних заборон, яка довго стримувала розвиток цієї галузі. Якщо раніше кристал часу вважався майже ізольованим дивом квантової фізики, то тепер він починає виглядати як реальний інструмент для майбутніх технологій. І це вже не просто красива наукова ідея, а крок до пристроїв, які зможуть точніше вимірювати, довше зберігати квантову інформацію й працювати там, де класична електроніка поступово впирається у свої межі.