Поддържането на перфектно време е много по-трудно, отколкото звучи. Най-добрите часовници в света, които се използват за GPS навигация, сателитна комуникация и тестване на фундаменталната физика, зависят от внимателно контролирани атоми и лазери. Те са невероятно прецизни, но също така са обемисти, консумират много енергия и са трудни за работа извън специализирани лаборатории.

Сега ново математическо проучване показва, че необичайно състояние на материята, известно като времеви кристал, може да предложи по-стабилен и потенциално по-опростен начин за измерване на времето. То показва, че времевите кристали биха могли да надминат конвенционалните квантови часовници по отношение на поддържането на точност – особено при измерване на изключително къси интервали от време.

„Квантовите времеви кристали са истински квантови часовници с подобрени характеристики благодарение на спонтанното нарушаване на симетрията на времевата транслация“, отбелязват авторите на проучването. Симетрията на времевата транслация просто означава, че правилата на физиката не се променят с времето.

Преди да се задълбочите в това, което са направили изследователите, е важно първо да разберете как работят най-добрите часовници днес.

Съвременните оптични атомни часовници охлаждат атомите или йоните до изключително ниски температури с помощта на лазери. Лазерите след това възбуждат електроните в тези атоми, изтласквайки ги към по-високи енергийни нива. Когато електроните падат обратно, те излъчват светлина с много специфични честоти.

Тъй като тези оптични честоти са изключително стабилни и много по-високи от микровълновите сигнали, използвани в по-старите атомни часовници, те позволяват много по-прецизни измервания на времето. Въпреки това има и компромис. Тези системи изискват постоянно външно задвижване, мощни лазери и внимателна изолация от шума на околната среда. Поддържането на това ниво на стабилност е технически сложно и енергоемко.

„Поради нивото на сложност в структурата на часовника и неговото енергопотребление такива устройства показват компромиси, чиято характеристика остава отворено предизвикателство“, добавиха авторите на проучването.

Времевите кристали предлагат различна идея. Във физиката кристал е всяка система с повтарящ се модел в пространството, като например подреденото разположение на атомите в солта или диаманта. Времевият кристал обаче се повтаря не в пространството, а във времето.

Вътрешната му структура осцилира в редовен ритъм, без да консумира енергия по обичайния начин. Демонстрирани за първи път експериментално през 2016 г., времевите кристали заинтригуваха физиците, защото движението им изглежда произтича от вътрешните взаимодействия на самата система.

Авторите на проучването искаха да разберат дали този самоподдържащ се ритъм може да служи като часовник. За да тестват това, те създадоха математически модел на система, съдържаща 100 квантови частици. Всяка от тях можеше да бъде в едно от двете спинови състояния – нагоре или надолу. Дори и само с тези две възможности, 100 частици могат да се комбинират в огромен брой колективни спинови подредби.

Изследователите проучиха как тези комбинирани състояния се развиват във времето. Те анализираха две различни фази на работа на системата. Първата беше конвенционална, при която колективните спинове осцилират само когато са задвижвани от външно лазерно поле.

Следващата беше времево-кристалната фаза, при която се появява повтарящ се модел в колективното поведение, без продължително външно възбуждане. След това екипът оцени колко добре всяка фаза може да измерва времето. На практика те провериха колко точно системата може да разграничава все по-къси времеви интервали. Когато се стремяха към по-фина резолюция, конвенционалната фаза бързо губеше точност – прецизността на часовника се влошаваше.

За разлика от това времево-кристалната фаза остана значително по-стабилна. Нейният вътрешно генериран ритъм осигуряваше по-стабилен референтен сигнал при същите условия. Следователно проучването успешно показва, че вградената осцилация на времевия кристал може да устои на загубата на прецизност по-добре от външно задвижваните системи.

Резултатите са теоретични, а създаването на работещ часовник с времеви кристал ще изисква значителен технологичен напредък. Реалните системи са засегнати от шум, несъвършенства и смущения в околната среда, които е трудно да се моделират перфектно. Въпреки това проучването предоставя солидна математическа основа, която предполага, че времевите кристали един ден биха могли да станат основа за нов тип квантов часовник.

Снимка: Pexels

Виж още: Сгъваемият iPhone ще даде тласък на пазара на сгъващи се като книга устройства