Zásadný prelom: Vedci po prvýkrát prepojili časový kryštál s okolitým svetom

Existencia časových kryštálov bola experimentálne potvrdená v roku 2016, no až doteraz zostávali fascinujúcimi, ale izolovanými kuriozitami kvantového sveta. Teraz však výskumníci z Katedry aplikovanej fyziky na Aalto University vo Fínsku dosiahli prelom, ktorý môže zmeniť budúcnosť výpočtovej techniky.

Po prvýkrát v histórii sa im podarilo prepojiť časový kryštál s externým systémom mimo neho, čím prelomili jeho dokonalú izoláciu. Táto prelomová štúdia, ktorej hlavným autorom je Jere Mäkinen, bola publikovaná 16. októbra 2025 v prestížnom časopise Nature Communications.

Opisuje, ako tím premenil časový kryštál na optomechanický systém, ktorý by mohol slúžiť ako základ pre vývoj extrémne presných senzorov alebo pamäťových systémov pre kvantové počítače. Práve tento krok otvára dvere k ich praktickému využitiu a výraznému zvýšeniu výkonu kvantových technológií.

Podstata problému spočívala v samotnej definícii časového kryštálu, ktorého zdanlivo perpetuálny pohyb je možný len vtedy, ak nie je narušený vonkajším svetom, napríklad pozorovaním. Práve preto sa doteraz nikomu nepodarilo takýto systém prepojiť s čímkoľvek externým bez toho, aby sa jeho krehká štruktúra okamžite nezrútila.

Fínskemu tímu sa však podarilo nájsť spôsob, ako s kryštálom interagovať dostatočne jemne, aby ho nielenže nezničili, ale aby mohli dokonca aj upravovať jeho vlastnosti. Experiment sa uskutočnil v extrémnych podmienkach v Laboratóriu nízkych teplôt, ktoré je súčasťou fínskej národnej výskumnej infraštruktúry OtaNano.

Fyzici použili supratekuté hélium-3, ochladené na zlomok stupňa nad absolútnou nulou, čo je jedno z najchladnejších prostredí, aké kedy bolo v laboratóriu vytvorené. Do tohto supratekutého média následne pomocou rádiových vĺn „napumpovali“ kvázičastice známe ako magnóny.

Keď vedci vypli rádiové vlny, magnóny sa spontánne usporiadali a vytvorili časový kryštál. Tento kryštál zostal v pohybe bezprecedentne dlhú dobu, pričom vydržal až 10^8 cyklov, čo zodpovedá niekoľkým minútam, kým jeho pohyb nezoslabol pod úroveň, ktorú bolo možné detegovať.

Táto stabilita je o celé rády vyššia, než akú dosahujú súčasné kvantové systémy používané v experimentálnych kvantových počítačoch. Kľúčový moment nastal počas procesu slabnutia, keď sa časový kryštál sám prepojil s blízkym mechanickým oscilátorom.

Táto interakcia bola úplne analogická s optomechanickými javmi, ktoré sú vo fyzike dobre známe a využívajú sa napríklad pri detekcii gravitačných vĺn v observatóriu LIGO. V tomto prípade však úlohu svetla prevzali magnóny a úlohu pohyblivého zrkadla zvlnený povrch supratekutého hélia.

Týmto experimentom sa zrodil úplne nový hybridný odbor, ktorý by sa dal nazvať „optomechanika časových kryštálov“. Vytvoril sa tak most medzi kvantovým a klasickým svetom, ktorý umožňuje aplikovať rozsiahly súbor nástrojov a matematických modelov z vyspelej oblasti optomechaniky na úplne nový kvantový objekt. Táto „prekladová vrstva“ dramaticky urýchľuje cestu k inžinierstvu praktických zariadení založených na týchto exotických stavoch hmoty.

Potenciálne aplikácie tohto objavu sú skutočne revolučné. Najväčší prísľub predstavujú pre oblasť kvantových počítačov, kde je jedným z najväčších problémov takzvaná dekoherencia, teda strata kvantových informácií v dôsledku interakcie s okolím.

Vďaka svojej extrémnej stabilite by časové kryštály mohli slúžiť ako robustné a dlhotrvajúce pamäťové systémy, ktoré by uchovávali kvantové informácie oveľa dlhšie, než je to možné dnes, a tým výrazne zvýšili výkon a spoľahlivosť budúcich kvantových počítačov. Okrem toho by sa dali využiť ako extrémne citlivé senzory alebo ako takzvané frekvenčné hrebene, ktoré slúžia ako dokonalé frekvenčné referencie v najpresnejších meracích prístrojoch.

Hoci je táto technológia ešte len v plienkach, experiment na Aalto University predstavuje kľúčový krok, ktorý posunul časové kryštály z ríše fundamentálnej fyziky do sféry aplikovaného inžinierstva. Ukázal, že tieto fascinujúce objekty je možné nielen pozorovať, ale aj kontrolovať a ladiť, čo je základným predpokladom pre akúkoľvek budúcu technológiu.

Zdroj: nature.com.

^{Zdroj Foto: depositphotos.com.}

Zobrazit Galériu