Ученые получили экспериментальное подтверждение существования двумерных дискретных кристаллов времени, ранее известных только как теоретическая концепция. В ходе исследования был задействован высокопроизводительный квантовый процессор, благодаря которому материя смогла поддерживать колебания, не теряя при этом энергию.
Кристаллическая структура, свойственная таким материалам, как алмаз или соль, характеризуется пространственным повторением. Атомы в них располагаются в упорядоченной решетке. Кристаллы времени ведут себя иначе: их структура повторяется не в пространстве, а во времени. Частицы в таком объекте постоянно переключаются между состояниями и возвращаются в исходную точку через равные промежутки. Это происходит без потребления энергии, что нарушает привычные законы равновесия.
Подобная система напоминает желе, которое постоянно вибрирует, даже без внешнего воздействия. В физике это явление описывается как спонтанное нарушение симметрии временной трансляции. Отличительная черта таких кристаллов заключается в их нежелании переходить в состояние равновесия (термализации), к которому стремится любая привычная материя.
До этого момента исследователи могли создавать подобные кристаллы только в одномерной структуре, представляющей собой цепочку частиц. Создание двумерного кристалла, или плоского слоя, оказалось значительно более сложной задачей. С увеличением числа измерений система становится более подверженной разрушению и переходу в хаотическое состояние. Ранее существовали сомнения в возможности сохранения упорядоченных колебаний в двумерной структуре.
Используя передовое оборудование и сложные вычислительные подходы, физикам удалось создать двухмерный временной кристалл. Результаты опубликовали в журнале Nature Communications.
Для проведения исследований ученые применили процессор Heron r2, разработанный компанией IBM. При этом из 156 доступных кубитов использовали 144. Эти кубиты были организованы в шестиугольную структуру, схожую с пчелиными сотами.
Для создания взаимодействия между частицами был разработан анизотропный вариант модели Гейзенберга. В этой модели сила связи между соседними кубитами зависела от направления. Это обеспечило устойчивость системы к нагреву и хаосу. Регулярные внешние воздействия вызывали изменение состояния кубитов, однако благодаря сложной организации связей система не разрушалась, а переходила в стабильный режим.
Проведенный эксперимент подтвердил переход двумерной решетки в новое состояние. Кубиты начали колебаться с периодом, кратным частоте внешнего воздействия, что позволило зафиксировать устойчивый субгармонический отклик, типичный для кристаллов времени. Данный ритм сохранялся в течение продолжительного времени, несмотря на наличие шумов, свойственных современным квантовым компьютерам.
Для изучения фазовых переходов в физике была разработана детальная диаграмма. При проведении анализа изменялись два параметра: величина взаимодействия, вызывающего переориентацию спина, и угол периодического воздействия на кубиты. Полученный график продемонстрировал выраженные границы между тремя состояниями. В фазе спинового стекла система переходила в состояние покоя и сохраняла локальный порядок, исключая колебания. В эргодической фазе возникал хаотичный процесс, приводящий к потере квантовой информации. Между этими крайними состояниями наблюдалась искомая фаза кристалла времени, характеризующаяся нарушением временной симметрии.
Для подтверждения природы этих явлений физики провели измерения квантовой информации Фишера. Этот параметр демонстрирует скорость нарастания запутанности между частицами. В хаотической эргодической фазе запутанность увеличивалась стремительно, как лавина. В режиме кристалла времени рост происходил значительно медленнее, с логарифмической скоростью. Подобное поведение указывает на то, что механизм многочастичной локализации функционирует даже на плоскости. Он препятствовал установлению теплового равновесия и обеспечивал устойчивость кристалла.
Проверка начальных состояний кубитов выявила неожиданные результаты. Стандартная конфигурация, характеризующаяся чередующимися спинами, демонстрировала ожидаемое поведение. Однако полностью поляризованное состояние, при котором все спины ориентированы в одном направлении, показало аномальную устойчивость. Оно поддерживало заданный ритм даже при воздействии значительных помех, которые, как предполагалось, должны были нарушить его. Исследователи объясняют это явление феноменом «квантовых шрамов» — специфическими траекториями, благодаря которым система способна избегать дезорганизации и тепловой смерти.
Исследования в области квантовой термодинамики значительно углубили наши знания. Стало известно, что даже в двумерных системах, характеризующихся комплексными взаимодействиями, возможно существование необычных состояний материи. Теперь физики располагают проверенным методом для изучения неравновесных состояний вещества, используя современные квантовые вычислительные устройства.