Az elmúlt években az időkristálynak elnevezett jelenséget nagy érdeklődés övezte és a kutatók szerte a világon igyekeztek előállítani különböző verziókat belőle, sokaknak pedig sikerült is létrehozni ezeket a különös rendszereket. Az időkristály tulajdonképpen nem egy tárgy, hanem egy anyagi állapot, méghozzá olyan rendhagyó, hogy eleinte lehetetlennek tartották és kétségbe vonták a létezését is. A jelenséget Frank Wilczek, Nobel-díjas amerikai elméleti fizikus jósolta meg 2012-ben, de akkor még csak elméleti szinten, vagyis a teóriák világán kívül nem volt rá bizonyíték, hogy valóságos lenne a különös elképzelés.

Az időkristály hitetlenkedést kiváltó jellemzője, hogy úgy viselkedik, mint egy örökmozgó

- a perpetuum mobile pedig köztudottan megszegi a termodinamika második főtételét, miszerint egy zárt, külső hatásoktól mentes rendszer állapotváltozása egy irányba zajlik le, és a termikus egyensúly felé halad. Az időkristály esetében a termikus egyensúlyt valójában az állandó oszcilláció jelenti.

Ennek az anyagi állapotnak az elnevezése a kristályok szerkezetére utal: a kristályok térben alkotnak szimmetrikus, ismétlődő mintázatot, azaz kristályszerkezetet, az időkristály ismétlődése pedig időbeli. Két eltérő állapot között ingáznak állandó jelleggel energiaveszteség nélkül, elméletileg akár örökre is, mivel ez a folytonos váltakozás jelenti a legalacsonyabb energiaállapotukat, ami felé haladnak a rendszerek külső behatás nélkül. Az a felvetés, hogy egy rendszer legalacsonyabb energiaállapotát a folytonos mozgás jelenti 2012-ben még szokatlannak tűnt, de azóta sikerült több ízben is létrehozni ezt az anyagi állapotot, igaz, hogy egy kis csavarral. Definíció szerint az időkristály időbeli örök ismétlődésének fenntartása nem igényel semmilyen bevitt energiát, a folyamat beavatkozás nélkül sem áll le.

A laboratóriumi kísérletek során lézeres vagy mikrohullámú sugarakkal adtak lökést részecskéknek, amelyek ezután két állapot között kezdtek váltakozni és ez ciklikus állapotváltás a bevitt impulzus ismétlődésétől független ritmusra, illetve frekvenciára állt be. Az így megvalósuló rendszer megszegi az úgynevezett idő-transzlaciós szimmetriát, ami kimondja, hogy a fizikai szabályok, így egy tárgy szerkezetét meghatározó fizikai szabályok is, változatlanok maradnak az idő múlásával.

"Majdnem minden elképzelhető formája a szimmetriának spontán módon megtörik valahol a természetben, a kristályokban megtört transzlációs szimmetriától vagy a szupravezetőkben megtört fázis rotációs szimmetriától kezdve a megtört szuperszimmetriáig, ami a bozonok és fermionok közti különbséget eredményezi."

- írta a Cambridge Egyetem fizikusa, Jasper Van Wezel 2010-es tanulmányában - "A kvantummechanika egyetlen olyan szimmetriája, amiről nem igazán feltételezzük, hogy ki lenne téve a spontán törésnek, az az egységes idő-transzlációs szimmetria."

Az időkristályok tehát különleges helyet foglalnak el az anyagi állapotok között és ezért a vizsgálatuk izgalmas eredményeket hozhat a kutatók számára, de arra a kérdésre eddig nehéz volt választ találni, hogy mi is lehet a konkrét, gyakorlati hasznuk. Korábbi felvetések szerint segíthetik például a kvantumszámítógépek tervezését a bonyolult kvantumhálózatok szimulációjának révén, de egy újabb kutatás szerint úgy tűnik, hogy az időkristályok más módon is kapcsolódhatnak a kvantumszámítógépek megalkotásához. Kínai kutatók kísérletei szerint a diszkrét időkristályok szerepet kaphatnak a Greenberger-Horne-Zeilinger állapot stabilitásának fenntartásában és ezzel nagyszámú kvantumbit összekapcsolásában.

"A Greenberger-Horne-Zeilinger állapotok, mint maximálisan összefonódott Schrödinger macska állapotok, kulcsszerepet játszanak a kvantumfizika és - technológia megalapozásában, de óriási kihívást jelent megalkotni és megőrzni ezeket a törékeny állapotokat.

A diszkrét időkristályok (DTC), amelyek eredeti célja az egzotikus nem-egyensúlyi kvantumanyagok feltérképezése, nagy tudományos érdeklődést váltottak ki, de az, hogy ez a briliáns koncepció valódi alkalmazásokhoz vezet-e, kérdéses maradt." - írják a tanulmányban, amiben az időkristálynak a kvantumrendszereket a külső zavaroktól védő hatását mutatják be.

A Greenberger-Horne-Zeilinger állapot, ami a nevét Daniel Greenberger, Michael Horne és Anton Zeilinger kvantumfizikusokról kapta, egy többqubitos összefonódott állapot, ami a "kvantuminformáció és kvantumméréstan fő célja" a leírások szerint és kiemelkedően nem-klasszikus jellemzőkkel bír. Ezt az állapotot ötvennél több kvantumbit bevonásával létrehozni bonyolult feladat és a külső zavaró hatások könnyen tönkreteszik. A kínai kutatók kísérletében két szupravezető processzort alkalmaztak a GHZ-állapot generálására, amelyek egyikén 60, a másikon 36 transmon qubittal dolgoztak. A kvantumbiteket mikrohullámú impulzusokkal hozták gerjesztett állapotba. Az első processzoron a 60 kvantumbitet 0,59-es hűséggel sikerült összefonódott állapotba rendezni, a második processzoron az összefonódott qubitok rendszerének hűsége elérte a 0,72-es szintet (a hűség lényegében az összefonódás minőségét vagy megbízhatóságát jelenti).

A hatvan qubitos rendszer különlegességét az adta, hogy a kutatók elmondása alapján ez Schrödinger eddigi "legkövérebb macskája", a 36 qubitos rendszert pedig egy diszkrét időkristályba (DTC) integrálták. A DTC a megfigyelések szerint segített a Greenberger-Horne-Zeilinger állapot "fázistáncának" stabilizálásában, legalábbis 30 ciklus erejéig. Bár a kvantumos jelenségeket nehéz ábrázolni, de a Google kvantumfizikaval foglalkozó kutatója, Jarrod McClean, a mesterséges intelligencia segítségével mégis megpróbálta vizuális formába önteni a felfedezést.

Too tempting to throw into AI -

Here is the image representing "Schrödinger cats growing up to 60 qubits and dancing in a cat scar enforced discrete time crystal." This whimsical and surreal depiction captures the essence of your imaginative concept. pic.twitter.com/U9wZSdZjfO

— Jarrod McClean (@JarrodMcclean) January 25, 2024

A következtetések szerint a diszkrét időkristályok hasznos szerepet tölthetnek be a notóriusan érzékeny kvantumbitrendszerek védelmében és alkalmazhatóak az összefonódást romboló külső befolyásoló tényezők ellen. A kísérlettel "a felfedezetlen jelenségek kincsesbányája került elérhető közelségbe, úgymint a kvantummetrológia, az információ teleportációja, a hibajavítás és a diszkrét időkristályokban lévő különböző összefonódott állapotok ultraérzékeny érzékelése, ahol a védelmező összefonódott sajátállapotok architektúráját vezérlőgombként tervezzük meg." - a kutatók összefoglalása szerint.

(Fotó: Google, DigiPub/Getty Images)