Согласно новым расчетам, кристаллы времени, ранее считавшиеся диковинкой квантовой физики, могут стать хорошим строительным блоком для точных часов и датчиков.
Гай Криттенден/Getty Images
Кристаллы времени — это диковинка квантовой физики, но новые расчеты показывают, что эти необычные материалы могут быть полезны для создания очень точных часов.
Все кристаллы характеризуются повторением – обычные кристаллы состоят из атомов, расположенных в повторяющихся узорах, а кристаллы времени имеют повторяющуюся структуру во времени. Если наблюдать за кристаллом времени достаточно долго, можно увидеть, как он снова и снова проходит через один и тот же набор конфигураций. Более того, это циклическое изменение возникает спонтанно, не потому, что материал вынужден его поддерживать, а потому, что это его предпочтительная фаза, подобно тому, как предпочтительной фазой воды при низкой температуре является лед.
Людмила Виотти из Международного центра теоретической физики им. Абдуса Салама в Италии и ее коллеги показали, что некоторые кристаллы времени могут стать хорошим строительным блоком для очень точных квантовых часов.
Они провели математический анализ системы, состоящей из до 100 квантово-механических частиц, каждая из которых имела два различных состояния, определяемых свойством квантового спина, подобно тому, как монета на столе имеет два различных состояния, определяемых тем, какой стороной вверх она обращена. Конкретная спиновая система, которую изучали исследователи, могла стать временным кристаллом или существовать в более обычной фазе, не совершающей спонтанных колебаний во времени, и могла использоваться в качестве часов в любой из этих фаз. Команда рассчитала, как производительность часов, созданных из спинов — их точность и прецизионность — в фазе временного кристалла будет соотноситься с часами, созданными из спинов в этой «нормальной» фазе.
«В обычной фазе, если вы хотите определять более мелкие интервалы времени, точность будет экспоненциально снижаться. В фазе временного кристалла при том же разрешении можно получить гораздо более высокую точность», — говорит Виотти. Хотя точность часов, основанных на спинах, обычно снижается, если, например, нужно измерять секунды, а не минуты, этого не происходит, если спины сначала образуют временной кристалл.
Марк Митчисон из Королевского колледжа Лондона говорит, что неудивительно, что временной кристалл может стать многообещающей отправной точкой для создания часов, но до сих пор отсутствовал строгий анализ этого преимущества. Он и его коллеги ранее доказали, что почти любую случайную последовательность событий можно превратить в часы, но система с самоподдерживающимися колебаниями с самого начала обеспечивает более похожую на часы структуру, говорит он.
«Около десяти лет нам известно о существовании временных кристаллов, но до сих пор неясно, как их использовать», — говорит Кшиштоф Саша из Ягеллонского университета в Польше. «Так же, как обычные кристаллы можно использовать как в ювелирном деле, так и для создания компьютерных процессоров, мы хотели бы, чтобы временные кристаллы позволили разработать и полезные технологии».
По словам Митчисона, кристаллы времени вряд ли превзойдут лучшие в мире часы, которые сейчас изготавливаются из чрезвычайно холодных атомов, но они все же могут стать альтернативой системам измерения времени, основанным на спутниковых системах, таких как GPS, которые могут быть нарушены злоумышленниками. Часы, построенные на основе кристаллов времени, также могут стать основой для датчиков магнитных полей, поскольку даже ничтожно малые величины таких полей будут нарушать ход часов, говорит Митчисон.
Однако, по словам Виотти, прежде чем кристаллы времени можно будет использовать на практике, предстоит еще много работы. Например, разработанную ее командой систему вращения следует сравнить с другими системами, которые ведут себя как точные часы, и протестировать в эксперименте с реальными спинами, говорит она.
Журнал Physical Review Letters DOI: 10.1103/dj21-gmdj
Источник: www.newscientist.com
