Научные ленты облетела новость из Университета Аалто, по-настоящему её масштаб сразу оценили только квантовые физики. Команда под руководством исследователя Джере Мякинена впервые в истории не просто создала кристалл времени — эту странную форму материи научились получать и раньше, — а сумела аккуратно подключить его к внешнему механическому устройству и, что ещё важнее, управлять его свойствами, не разрушая. Ещё год назад сама мысль о таком эксперименте воспринималась как покушение на основы: кристаллы времени настолько хрупки, что любой контакт с внешним миром для них смертелен. Теперь же выяснилось, что всё это время физики просто не знали, как правильно «поговорить» с этой материей. Эксперимент, поставленный в Лаборатории низких температур в Эспоо неподалёку от Хельсинки, не только переписывает учебники, но и открывает прямую дорогу к новому поколению квантовых датчиков и сверхстабильной памяти для компьютеров будущего.
Кристаллы времени: от фантазии нобелевского лауреата до экспериментальной реальности
В 2012 году американский теоретик Франк Вильчек, уже имевший к тому моменту Нобелевскую премию за работы по сильному взаимодействию, опубликовал статью, которую многие коллеги поначалу приняли за изящную математическую шутку. Он задумался: если обычный кристалл — это структура, где атомы выстроены в периодическую пространственную решётку, то может ли существовать объект, периодичный не в пространстве, а во времени? Представьте себе маятник, который качается сам по себе, без всякой батарейки, никогда не затухая и при этом находясь в состоянии с минимально возможной энергией. С точки зрения классической физики это полный абсурд, но квантовый мир допускает куда более причудливые сценарии. Вильчек назвал гипотетическую форму материи кристаллом времени и предположил, что она может возникать спонтанно, подчиняясь внутренней симметрии системы. Идея была настолько красивой, что её невозможно было игнорировать.
Всего четыре года спустя, в 2016-м, сразу две независимые группы физиков — из Университета Мэриленда и из Гарварда — отрапортовали об успешном создании первых кристаллов времени в лаборатории. Мэрилендцы использовали цепочку ионов иттербия, удерживаемых в электромагнитной ловушке, и с помощью лазерных импульсов добились периодического переворота их спинов. Гарвардская команда пошла другим путём: они работали с азот-вакансионными центрами в кристаллах алмаза и тоже зафиксировали характерные колебания, продолжавшиеся без дополнительного притока энергии. Эти системы жили ничтожно мало — миллисекунды или даже микросекунды, — но сам факт их существования подтвердил правоту Вильчека. С того момента кристаллы времени из мысленного эксперимента превратились в реальные физические объекты. Их начали искать в самых разных средах — от сверхпроводящих кубитов до ультрахолодных атомов, — и каждая такая находка добавляла мозаике новую деталь.
При этом оставалась одна фундаментальная трудность, превратившая кристаллы времени в своего рода музейный экспонат, которым можно любоваться, но нельзя пользоваться. Их квантовое состояние оказалось до крайности чувствительным: малейшее вторжение извне — будь то вибрация пола в лаборатории, рассеянное тепло или целенаправленное измерение — разрушало когерентность, и периодическое движение прекращалось. Именно об этом и говорил Джере Мякинен, когда объяснял суть многолетнего тупика: «Вечное движение возможно в квантовом мире только до тех пор, пока оно не нарушается внешним поступлением энергии, например наблюдением. Именно поэтому кристалл времени никогда раньше не был связан ни с одной внешней системой». Фраза, произнесённая в интервью после публикации работы, звучит просто, но за ней стоит десятилетняя история бесплодных попыток заставить кристалл времени взаимодействовать с окружением. И вот теперь стена рухнула.
Как гелий-3, радиоволны и квазичастицы помогли совершить прорыв
Ключевой элемент установки, собранной в Университете Аалто, — это сверхтекучий гелий-3, один из самых экзотических и капризных материалов в распоряжении физиков. Чтобы перевести его в сверхтекучее состояние, жидкость необходимо охладить до температуры примерно в сто микрокельвинов — это всего на долю градуса теплее абсолютного нуля. В таких условиях вещество полностью избавляется от внутреннего трения и начинает вести себя как единая квантовая жидкость, в которой могут распространяться необычные коллективные возбуждения. Огромные криостаты Лаборатории низких температур, напоминающие космические капсулы, месяцами поддерживают этот искусственный космический холод, и именно там рождаются магноны — квазичастицы, которые можно представить как волны намагниченности, пробегающие сквозь гелий. Исследователи с помощью радиочастотных катушек «впрыскивали» в жидкость порции магнонов, непрерывно подпитывая систему энергией.
Самый драматичный момент наступал тогда, когда радиочастотный инжектор выключали. В обычной физической системе магноны должны были бы быстро рассеяться и исчезнуть, но здесь происходило нечто иное. Лишённые внешней подпитки, квазичастицы не сваливались в тепловой хаос, а самоорганизовывались в строгую периодическую структуру — тот самый кристалл времени. Его движение было спонтанным и не требовало дополнительной энергии: волны намагниченности продолжали ритмично колебаться, совершая цикл за циклом. Поразительнее всего оказалась продолжительность этого процесса — кристалл жил несколько минут, успев выполнить до 108 полных колебаний, прежде чем его амплитуда начала заметно снижаться. Для сравнения, самые продвинутые квантовые биты в лабораториях IBM или Google сегодня сохраняют когерентность лишь на временах порядка сотен микросекунд, так что разница в стабильности поистине астрономическая. Финские физики получили один из самых долгоживущих квантовых осцилляторов в истории.
Но само по себе долголетие кристалла было лишь прелюдией к главному успеху. Пока угасающий кристалл продолжал периодически менять свою намагниченность, команда поднесла к нему чувствительный механический осциллятор — по сути, микроскопический маятник, колебания которого можно очень точно контролировать. И тут выяснилось, что кристалл не просто замечает присутствие осциллятора, а начинает подстраиваться под него: частота и амплитуда квантовых осцилляций менялись в зависимости от того, как двигался внешний механический элемент. Это было первое в истории прямое двустороннее взаимодействие между кристаллом времени и обычным физическим прибором. Как только стало понятно, что кристалл не разрушается, а откликается на воздействие, учёные осознали: они держат в руках не просто эффектный лабораторный курьёз, а управляемую систему. И тогда же всплыла аналогия, которая моментально перевела эксперимент из разряда «интересно» в разряд «невероятно полезно».
Мякинен и его коллеги, проанализировав данные, с удивлением обнаружили, что поведение кристалла времени в паре с механическим осциллятором идеально описывается теми же уравнениями, что и оптомеханические явления, давным-давно знакомые физикам. В оптомеханике лазерный луч, запертый в резонаторе, давит на крошечное зеркальце, а колебания зеркальца, в свою очередь, меняют свойства света; именно так работают гигантские интерферометры вроде LIGO, ловящие гравитационные волны от слияния чёрных дыр. «Мы показали, что изменения частоты кристалла времени полностью аналогичны оптомеханическим явлениям, широко известным в физике, — заявил Мякинен. — Это те же самые явления, которые используются, например, для обнаружения гравитационных волн от сверхмассивных чёрных дыр». Получалась невероятно изящная картина: экзотическая форма материи, которую ещё недавно боялись потревожить даже самым слабым сигналом, вдруг оказалась послушной и полностью укладывается в стандартный математический аппарат. А значит, дальнейшая оптимизация превращалась в чисто инженерную, а не фундаментальную задачу.
От квантовой памяти до детекторов: зачем миру приручённый кристалл времени
Теперь, когда финны доказали возможность управления кристаллом времени, самое время спросить: что конкретно это даст за пределами физических лабораторий? Сам Мякинен в первую очередь говорит о квантовых вычислениях. Все нынешние квантовые процессоры страдают от одной и той же беды — их кубиты теряют квантовую информацию почти мгновенно по макроскопическим меркам. Стоит ненадолго оставить процессор без присмотра, и тщательно выстроенные квантовые состояния разрушаются из-за малейших шумов, теплового дрожания атомов или даже вездесущих космических лучей. Кристалл времени же, как показал эксперимент, живёт в тысячу раз дольше и способен поддерживать периодическое движение, не сбиваясь с ритма. «Кристаллы времени существуют на порядки дольше, чем квантовые системы, используемые сегодня в квантовых вычислениях, — подчеркнул Мякинен. — В лучшем случае кристаллы времени могли бы питать системы памяти квантовых компьютеров и значительно их улучшить». Речь идёт о создании буферного запоминающего устройства, где квантовая информация могла бы храниться достаточно долго, пока процессор занят другой работой, — технологии, без которой полноценные квантовые вычисления просто немыслимы.
Вторая большая область — измерительная техника. Любой прибор, который считает что-то с высокой точностью, будь то атомные часы, навигационный акселерометр или детектор магнитного поля, опирается на стабильный эталонный сигнал. Чем чище и стабильнее этот сигнал, тем точнее прибор. Кристалл времени, периодически меняющий своё состояние через строго одинаковые промежутки, может служить таким эталоном — физики называют это «гребёнкой частот». Представьте себе расчёску, у которой каждый зубец находится на равном расстоянии от соседнего; примерно так же выглядят в частотном спектре сигналы, испускаемые кристаллом. «Их также можно было бы использовать в качестве гребёнок частот, которые применяются в измерительных устройствах сверхвысокой чувствительности в качестве частотных референсов», — пояснил Мякинен. Если удастся упаковать такую гребёнку в компактный чип, мы получим датчики, способные регистрировать изменения гравитационного поля, сверхслабых магнитных полей или даже тёмную материю с чувствительностью, которая сейчас доступна только многокилометровым подземным установкам.
Разумеется, в ближайшую пару лет ждать серийного «кристаллового гаджета» не стоит, и физики это отлично понимают. Экспериментам Мякинена ещё предстоит пройти длинный путь масштабирования. В первую очередь необходимо снизить потери энергии в механической части установки и повысить частоту осциллятора, чтобы приблизиться к квантовому пределу, за которым точность измерений ограничена уже не нашей техникой, а фундаментальными законами природы. Сам руководитель проекта говорит об этом так: «Уменьшая потери энергии и увеличивая частоту этого механического осциллятора, нашу установку можно оптимизировать для достижения границ квантового мира». Потребуется и решение чисто практических задач — от создания компактных криостатов, способных десятилетиями держать гелий-3 при субмилликельвиновых температурах, до разработки интерфейсов, считывающих сигнал кристалла без его разрушения. Но самый принципиальный рубеж уже взят: кристалл времени перестал быть изолированной «вещью в себе». Он заговорил с инженерами, и этот разговор может стать началом новой главы в истории точных измерений и квантовой обработки данных.
Подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить новые статьи и ставьте нравится.
