by Laika kristāli ir pilnīgi jauns matērijas stāvoklis, kas tiek uzskatīts par vienu no nozīmīgākajiem atklājumiem mūsdienu kvantu fizikā. Tie pārkāpj klasiskās fizikas priekšstatus par līdzsvaru, enerģiju un kustību. Kamēr tradicionālās fizikas likumi paredz, ka katra fiziskā sistēma tiecas uz nemainīgu stāvokli (termodinamisko līdzsvaru), laika kristāli turpina mainīties laikā, saglabājot savu struktūru – bez enerģijas patēriņa.
Kas ir laika kristāli?
Klasiskajā fizikā kristāls ir matērijas struktūra, kuras atomi vai molekulas atkārtojas regulārā režģī telpā – piemēram, dimants, ledus vai sāls. Šī telpiskā simetrija dod kristālam tā īpašības.
Savukārt laika kristāli ir sistēmas, kuras atkārtojas laikā. Tie veido laika periodiskumu, nevis telpisku. Tas nozīmē, ka, pat atrodoties zemākajā enerģijas stāvoklī (jeb “zemākajā kvantu stāvoklī”), šī sistēma turpina mainīties – līdzīgi kā svārsts, kas nekad neapstājas, taču bez ārēja grūdiena.
Kā tie darbojas?
Laika kristāli balstās uz kvantu mehānikas pamatprincipiem – īpaši uz kvantu superpozīciju un dekoherences pārvarēšanu. Tie darbojas slēgtā kvantu sistēmā, kurā atsevišķi elementi (kvanti, spini u.c.) mijiedarbojas noteiktā secībā un frekvencē.
Eksperimentā šīs sistēmas tiek periodiski “modinātas” ar specifiskiem impulsiem, un atšķirībā no parastām kvantu sistēmām tās neatgriežas sākotnējā stāvoklī vai nedekohē, bet gan ieiet stabilā laika ciklā, kas turpinās ilgstoši bez ārējas enerģijas piegādes.
Kā tika pierādīta to eksistence?
Laika kristālus teorētiski paredzēja Nobela prēmijas laureāts Frenks Vilčeks (Frank Wilczek) 2012. gadā. Daudzus gadus šī ideja tika uzskatīta par pretrunīgu, jo tā it kā pārkāpj enerģijas saglabāšanās likumu – tomēr tikai klasiskā izpratnē.
2021.gadā Google pētnieku komanda, izmantojot savu kvantu datoru “Sycamore”, izveidoja pirmo kvantu sistēmu, kas atbilda laika kristāla teorijai. Tajā tika izmantoti 20 kvantu biti (qubits), kas darbojās noteiktā pulsācijas ritmā, ko nevarēja skaidrot ar termisku līdzsvaru.
Pētnieki novēroja, ka kvantu sistēma regulāri mainījās (pārsvarā spinus mainot fāzē) un šī mainība nemazinājās laika gaitā – tieši tas, ko paredz teorija par laika kristāliem.
Kāpēc tas ir svarīgi?
Laika kristāli nav tikai zinātnisks kuriozs. Tie var fundamentāli mainīt to, kā mēs veidojam kvantu tehnoloģijas, īpaši kvantu datorus. Šeit ir galvenie ieguvumi:
Kvantu atmiņa:
Laika kristāli ir ļoti stabili, jo tie nezaudē informāciju, atrodoties laika ciklā. Tas nozīmē, ka tie var kalpot kā kvantu atmiņas nesēji, kuri nezaudē datus, kā tas bieži notiek kvantu sistēmās.
Kvantu procesori ar mazāku enerģijas patēriņu:
Tā kā šī dinamika neprasa ārēju enerģiju, iespējams izstrādāt efektīvākus kvantu procesorus, kas darbojas ilgāk un ar mazāk zaudējumiem.
Jauni kvantu fāžu pētījumi:
Laika kristāli ir pirmā pierādītā laika simetrijas pārkāpuma fāze. Tas atver durvis pilnīgi jauniem kvantu fāzu un sistēmu pētījumiem, kas līdz šim nav bijuši iespējami.
Laika kristāli apvieno teorētisko eleganci ar praktisku potenciālu. Tie pierāda, ka mūsu izpratne par laiku, simetriju un enerģiju vēl nav pilnīga – un ka kvantu pasaule slēpj daudz vairāk, nekā mēs līdz šim spējam iedomāties. Nākotnē tie var kļūt par neatņemamu sastāvdaļu kvantu datoros, kvantu tīklos un, iespējams, pavērt arī pilnīgi jaunas tehnoloģiju kategorijas.
