Quantencomputing: Zwei Physiker erzeugen den größten bisher bekannten Zeitkristall

Den beiden Physikern Philip Frey und Stephan Rachel von der Universität Melbourne ist es gelungen, einen Quantencomputer in den USA so zu programmieren, dass er einen sogenannten Zeitkristall aus 57 Quantenteilchen simuliert. Dabei handelt es sich um einen neuen Rekord – der bisher größte Zeitkristall bestand aus 20 Elementen. Dieser Fortschritt öffnet die Tür für weitere Theoreme.

Theoretische Hypothese auf dem Weg zur Wirklichkeit

Ein derart großer Zeitkristall war bisher lediglich eine theoretische Hypothese in der Physik. Das Theorem an sich geht zurück auf den Nobelpreisträger Frank Wilczek, seines Zeichens Physiker am Massachusetts Institute of Technology (MIT). Ihm fiel auf die besondere Anordnung von Atomen in Kristallen auf, welche sich nicht durch die Gleichungen für die bekannten Kräfte zwischen den Atomen erklären oder abbilden lassen. Diese Anordnung tritt spontan auf, und zwar dann, wenn die Atome sich abkühlen und im Zuge dessen aneinander schmiegen. Die dabei dann ablaufende Kettenreaktion resultiert in der Ausbildung des Musters, das in den Kräften dann nur implizit enthalten ist.

Wilczek stellte sich die Frage, ob es nicht auch möglich sei, ähnliches mit der Zeit zu machen und konzipierte ein System, in dem Quantenteilchen miteinander auf Basis von Kräften interagieren, die sich nicht mit der Zeit ändern. Dieses System sollte auch in seinem energieärmsten Zustand eine zyklische Entwicklung durchführen können. Das führt dazu, dass der Zeitkristall quasi in einem ewigen Kreislauf gefangen ist und sich dauernd wiederholt. Dies erwies sich dann als unmöglich.

Bisheriger Rekord liegt bei 20 Quantenteilchen

2016 wurde das Thema von WissenschaftlerInnen wieder aufgegriffen. In den neuen Überlegungen gibt es eine äußere Kraft, die den Mechanismus immer wieder aufs Neue anregt. Ihr Muster ähnelt dem eines Echos und hat immer eine niedrigere Frequenz als der ursprüngliche Reiz. Zum ersten Mal gelang es so, den Zeitkristall nachzuweisen. 2021 dann konstruierten WissenschaftlerInnen von Google einen Zeitkristall mit 20 Quantenteilchen, der aus einer Kette quantenmechanischer Magnete bestand, die dank der Gesetze der Quantenphysik Kräfte in zwei Richtungen gleichzeitig entwickeln konnten. So entstand eine Anordnung, die sich immer wieder um die eigene Achse drehen sollte.

Der bisher größte Zeitkristall

In den folgenden Jahren gab es eine Vielzahl von experimentellen Versuchen, in denen dieses Theorem umgesetzt werden sollte. Frey und Rachel gelang es dann, eine Qubit-Demonstration mit bisher nicht bekannter Größe durchzuführen. Ihre Qubits programmierten die beiden Physiker so, dass sie sich wie Magnete verhielten. Wenn sie die Wechselwirkungen auf eine bestimmte Art und Weise einstellten, blieb die Einstellung der 57 Qubits stabil und drehte sich nach zwei Impulsen wieder in den Ausgangszustand zurück.

Frey und Rachel arbeiten bereits daran, ihren Zeitkristallihren Zeitkristall zu perfektionieren. Laut dem Theorem müsste die Wechselwirkung unendlich lange andauern – bislang sind die beiden Physiker auf 50 Zyklen beschränkt. Die stabilisierende Fähigkeit des Systems könnte dann etwa für die Speicherung bestimmter Zustände genutzt werden. Solche praktische Anwendungen sind allerdings noch Zukunftsmusik.

via PopularMechanics

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