Шаг к квантовому интернету: кристаллы времени научили синхронизироваться

Физики из Технического университета Дортмунда (Германия) под руководством профессора Алекса Грейлиха совершили открытие в управлении квантовыми системами. Исследователи доказали, что в одном полупроводниковом материале может одновременно формироваться множество дискретных «кристаллов времени», способных спонтанно синхронизировать свои внутренние колебания. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.

Суть явления и механизм создания

Кристаллы времени — это уникальные физические системы, внутренняя динамика которых периодически повторяется во времени сама по себе, без какого-либо периодического внешнего воздействия.

Чтобы понять, что это, можно представить обычные кристаллы: алмаз, поваренную соль или снежинку. Их атомы выстроены в строгом порядке, который повторяется в пространстве — как идеальный узор на обоях или плитка на полу. Кристаллы времени (или временные кристаллы) устроены точно так же, но узор у них повторяется не в пространстве, а во времени. Его внутреннее состояние постоянно меняется (пульсирует, «тикает» как часы), но в конце каждого цикла он возвращается в исходную точку.

Как они устроены?

• Ученые берут группу крошечных квантовых частиц (например, атомов или электронов) и сильно их охлаждают.
• Частицы связываются друг с другом в единую систему.
• Физики дают им один начальный «толчок» лазером.
• После этого частицы начинают спонтанно менять свои свойства (например, переворачивать свои магнитные полюса туда-обратно) через строго равные промежутки времени. Сами по себе, без внешних воздействий.

Зачем они нужны?

В обычной жизни мы их не встретим, они существуют только в лабораториях при сверхнизких температурах. Но на основе таких кристаллов времени можно будет создавать:

• Сверхточные часы, которые никогда не собьются.
• Квантовые компьютеры. Частицы в кристаллах времени «защищают» друг друга от внешних помех, а это именно то, что нужно для создания стабильной квантовой памяти.

Дружное вращение

В январе 2024 года дортмундские ученые уже демонстрировали непрерывный кристалл времени в полупроводнике, стабильно осциллировавший (совершающий колебания) в течение нескольких часов. Теперь они вывели технологию на новый уровень.

В качестве экспериментальной среды физики использовали арсенид галлия, с добавлением небольшого количества индия и кремния для создания локализованных электронов. При экстремально низких температурах, близких к абсолютному нулю (около −270 °C), каждый такой электрон начинает взаимодействовать примерно с миллионом окружающих его ядерных спинов (собственный момент вращения атомного ядра, его внутреннее квантовое свойство).

Процесс запускается лазером накачки, который выстраивает спины электронов. Те, в свою очередь, передают поляризацию ядерным спинам (заставляют окружающие их атомные ядра повернуться своими магнитными полюсами в одну конкретную сторону). В слабом магнитном поле эта поляризация начинает вращаться.

Возникающая обратная связь между спинами электронов и ядер поддерживает непрерывные колебания, а второй лазер фиксирует эти осцилляции.

Эффект маятников Гюйгенса на квантовом уровне

Из-за неоднородности микроскопической среды разные участки полупроводника изначально совершают колебания на слегка отличающихся частотах. Однако при одновременном облучении широким лазерным лучом множество разрозненных кристаллов времени синхронизируются и начинают работать на одной общей частоте.

Этот феномен аналогичен знаменитому наблюдению Христиана Гюйгенса, который в 1665 году заметил, что двое маятниковых часов на одной стене синхронизируют свой ход за счет слабой механической связи через общую опору. В полупроводнике роль такой «опоры» играет диффузия спин-поляризованных электронов (процесс, при котором электроны, выстроенные магнитными полюсами в одну сторону, перемещаются и проникают в соседние участки материала, «заражая» их своим порядком).

Ученые установили, что кристаллы времени способны синхронизироваться на расстоянии до 40 микрометров. Это более чем в тысячу раз превышает характерный размер одной индивидуальной такой колебательной системы. Если расстояние больше, структуры продолжают колебаться независимо друг от друга.

Почему это важно

Открытие доказывает возможность нелокальной (без прямого физического контакта) связи между пространственно разделенными спиновыми системами. В перспективе это позволит создавать управляемые сети квантовых осцилляторов, что может стать технологическим фундаментом для создания принципиально новых устройств обработки информации и спинтроники (электроника нового поколения, использущая магнитные свойства частиц).