Квантовые «кошки-мышки»: Атомы воссоздают отношения хищника и жертвы?

Физики из Базельского университета смоделировали квантовую систему, где частицы взаимодействуют по принципу «хищник-жертва». В отличие от классических представлений, где одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются, исследователям удалось создать условия для одностороннего антагонизма: одна группа квантовых объектов стремится к синхронизации с другой, в то время как вторая группа, напротив, избегает этого. Этот прорыв, опубликованный в Physical Review X, не только нарушает привычную симметрию квантового мира, но и открывает путь к созданию «временных кристаллов» и сверхточных атомных часов.

Нарушение симметрии: как квантовая система учится «охотиться»

Ключом к успеху стало использование так называемых открытых квантовых систем. В отличие от изолированных, они постоянно обмениваются энергией с внешней средой — в данном случае, с лазерным излучением. Это выводит систему из равновесия, позволяя частицам проявлять невзаимное поведение. «Поначалу мы не были уверены, что это вообще возможно, — признается один из авторов исследования Маттео Брунелли. — Потребовались сложные вычисления, чтобы убедиться в этом».

В смоделированной системе две группы охлажденных атомов, связанных однонаправленными волноводами, образуют замкнутый цикл. Фазы спинов одной группы «стремятся» подстроиться под фазы другой, в то время как вторая группа, наоборот, пытается максимально от них дистанцироваться. Результат — вечная «гонка» без финиша, где система никогда не достигает статического состояния.

Практическая реализация: лазеры, волноводы и «вечное движение»

Исследователи предлагают конкретную схему для воплощения теории. Две группы охлажденных атомов постоянно облучаются лазером. Специальные волноводы соединяют их таким образом, что свет может распространяться только в одном направлении — из группы А в группу Б и обратно. Это создает антагонистическую связь: одна группа пытается синхронизировать свои фазы, а другая — нарушить эту синхронизацию, что приводит к непрерывной динамике.

Такое поведение является основой для формирования временных кристаллов — систем, которые спонтанно генерируют периодическое движение без внешнего воздействия, подобно маятнику, качающемуся вечно.

Подобные исследования квантового антагонизма — это не просто абстрактная теория. В более ранних работах физики уже демонстрировали возможность невзаимных взаимодействий в классических системах, но перенос этих принципов в квантовую область долгое время считался невозможным из-за фундаментальных законов сохранения. Теперь, когда барьер преодолен, открываются перспективы для создания квантовых часов с беспрецедентной точностью и новых материалов, чьи свойства будут определяться не статической структурой, а динамикой на квантовом уровне. По сути, мы стоим на пороге технологий, где законы квантовой механики начинают имитировать эволюционные стратегии живой природы.