Схематическое изображение установки. Источник: L.R. Bakker et al./ Phys. Rev. Lett., 2022

Учёные из Российского квантового центра в сотрудничестве с физиками из Нидерландов и Австрии предсказали существование системы, которая может находиться в состоянии двух различных кристаллов времени. Временные кристаллы очень устойчивы к внешним воздействиям, например нагреванию, и позволяют защитить квантовые системы от нежелательного изменения состояния и потери информации. Именно поэтому их можно использовать в качестве элемента памяти при создании квантовых компьютеров. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ (российско-австрийский проект), опубликованы в журнале Physical Review Letters.

В 2012 году Фрэнк Вильчек, американский физик-теоретик и лауреат Нобелевской премии, впервые предложил идею кристаллов времени. Их назвали так потому, что при внешнем кажущемся постоянстве они проявляют так называемую временную периодичность, то есть с течением времени у них периодически колеблются значения различных параметров. Такое возможно в неравновесных системах, подверженным периодическим внешним воздействиям. Последние, например лазерное излучение, передают кристаллу времени дополнительную энергию, которою он тратит на собственные субгармонические колебания, то есть происходящие на меньших частотах, чем действующее излучение.

Кристаллы времени с практической точки зрения имеют большой потенциал, поскольку очень устойчивы к внешним факторам. Принципиально их можно сравнить с виброустойчивым столом, который защищает точное измерительное оборудование от колебаний: если его немного пошатать, то сам прибор останется почти неподвижным, а колебаться будут специальные элементы стола. Без такой защиты оборудование могло бы сбиться и даже повредиться. Примерно то же самое получается с элементами памяти в квантовых компьютерах: при облучении и просто даже во время работы они неизбежно нагреваются, их состояние меняется, а первоначальное состояние стирается. Кристаллы времени выполняют роль виброустойчивого стола, защищающего информацию от повреждения. Кроме того, для их применения не нужна тонкая настройка устройства и жёсткий контроль за условиями работы.

Группа исследователей из Российского квантового центра (Москва), Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (Москва) и Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» (Москва) под руководством заведующего лабораторией квантовых информационных технологий Алексея Федорова с зарубежными коллегами описали работу системы, в которой существует, как его назвали учёные, «временной кристалл света». В ней при наличии внешнего периодического воздействия возникают субгармонические колебания, частота которых зависит от параметров всей системы. При этом она переходит в фазу кристалла времени, устойчивому к декогеренции (взаимодействию с окружающей средой, из-за которого состояние неконтролируемо меняется) и возрастанию энтропии (мера хаоса). Тем самым информация о квантовом состоянии системы не повреждается и не теряется с течением времени. Это очень удобно тем, что «стартовой точкой» служит исходное состояние, и даже при его изменениях можно «вернуться» к тому, что было ранее. В некоторых областях этой системы частота колебаний меняется ровно в два раза, что переводит систему из одного кристалла времени в другой, с вдвое меньшей частотой. Такое может быть удобно, если на какие-то элементы, например, квантового компьютера идёт меньшая нагрузка или потеря информации не так критична.

По мнению учёных, предложенная система может быть реализована на практике уже на текущем уровне развития квантовой оптики. Они также продемонстрировали, что поиск кристаллов времени можно существенно оптимизировать с помощью хорошо известных методов теории бифуркаций.

«На данный момент имеется уже несколько успешных экспериментов, в которых различными группами по всему миру были получены кристаллы времени. Однако, несмотря на колоссальный объём проделанной работы, важными остаются исследования по поиску новых квантовых систем, в которых переход к фазе кристалла времени был бы наглядно продемонстрирован. Дальнейшие работы важны как с точки зрения поиска новых неравновесных фаз материи, так и для прогресса в области квантовых технологий», — рассказал Денис Курлов, ведущий научный сотрудник Российского квантового центра.

Физики рассчитали, как появляются временные кристаллы света