Physiker erzeugen bisher größten Zeitkristall mittels Quantencomputer

Physiker haben einem Quantencomputer in Australien erfolgreich beigebracht, einen Zeitkristall in Rekordgröße zu simulieren. Die Forschung könnte den Weg für neue Methoden der Informationsspeicherung ebnen.

Ein Kristall, der in einem Kreislauf immer wieder in den Grundzustand zurückkehrt

Laut dem Wissenschaftsmagazin Science ist es Forschern gelungen, einen Zeitkristall zu schaffen, der aus 57 Quantenpartikeln besteht. Dies ist eine deutliche Steigerung gegenüber dem 20-Teilchen-Zeitkristall, der letztes Jahr von Wissenschaftlern bei Google kreiert wurde. Der neue Zeitkristall ist nach Aussagen der Forscher so groß, dass kein herkömmlicher Computer in der Lage wäre, ihn zu simulieren.

Bei einem Zeitkristall handelt es sich um ein ursprünglich hypothetisches Objekt, das in seinem Phasenraum eine periodische Struktur aufweist, die sonst nicht existieren würde. Das bedeutet, dass der Zeitkristall sich immer und immer wieder wiederholt. Man kann sich den Kristall entsprechend als ein System vorstellen, das in einem ewigen Kreislauf gefangen ist.

Forscher machen aus unmöglichem Gedankenspiel Realität

Der Begriff wurde vor zehn Jahren erstmals benannt, als der Nobelpreisträger Frank Wilczek vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) über die räumliche Struktur der Atome in einem gewöhnlichen Kristall nachdachte. Dabei fragte er sich etwas Grundsätzliches: wie kommt dieses Muster zustande?

Das Muster in den Atomen ergibt sich tatsächlich nicht aus dem, was die Gleichungen über die Kräfte zwischen den Atomen aussagen. Viel mehr hängt es davon ab, wie sie sich abkühlen. Wenn sich einige der Atome einander nähern, lässt sich die Position des nächsten Atoms leichter vorhersagen. Dies geschieht auch dann, wenn es in den Gleichungen nicht explizit angegeben ist.

Die Frage war nun, ob man derartige Überlegungen auch auf die Zeit übertragen könne. So stellte er sich ein Quantenpartikelsystem vor, das über Kräfte interagiert, die sich im Laufe der Zeit nicht verändern. Dieses System sollte dennoch in der Lage sein, zyklische Entwicklungen zu offenbaren, selbst in seinem niedrigsten Energiezustand. Jedoch erwies sich das Gedankenexperiment als ein unerreichbares Ziel.

Im Jahr 2016 haben jedoch zwei neue Forschungen das Konzept wiederbelebt, als sie einen Mechanismus betrachteten, der wiederholt durch eine äußere Kraft angeregt wird. Sie entdeckten, dass er, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind, im Laufe der Zeit ein Veränderungsmuster einnehmen kann, das sich wie ein Echo mit einer niedrigeren Frequenz als der des Reizes wiederholt. Der Zeitkristall wurde so erstmalig nachgewiesen.

Qubits agieren wie Magnete

Das Gerät besteht aus einer Kette von winzigen quantenmechanischen Magneten, die dank der seltsamen Prinzipien der Quantenmechanik nicht nur nach oben oder unten, sondern auch in beide Richtungen gleichzeitig zeigen können. Benachbarte Magnete in einer Kette neigen dazu, sich in entgegengesetzte Richtungen auszurichten, was ihre Energie senkt, während ein zufälliges lokales Magnetfeld jeden Magneten dazu bringt, in die eine oder andere Richtung zu zeigen.

Dabei sorgt ein beständiger Einfluss von magnetischen Impulsen dafür, dass sich die Magnete etwa alle zwei Impulse umdrehen. Das Ziel der Vorrichtung ist, dass sich jede Konfiguration der Magnete immer wieder um die eigene Achse dreht.

Das Konzept wurde in einer Vielzahl von Systemen demonstriert, von Elektronen, die um einen Diamanten herumschwirren, bis hin zu Ionen, die in einer Falle gefangen sind. Es wurde auch mit Quantenbits oder Qubits in einem Quantencomputer durchgeführt.

Philipp Frey und Stephan Rachel, Physiker der Universität Melbourne, haben nun einen viel größeren Qubit-Nachweis erbracht. Sie haben das Experiment über das Netzwerk an Quantencomputern durchgeführt, die von IBM in den Vereinigten Staaten betrieben werden. Dies ist möglich, da sich die Qubits ähnlich wie Magneten verhalten können. Sie haben so den Wert 0,1 oder eben beide Werte gleichzeitig inne.

Die Forscher entdeckten, dass für bestimmte Konfigurationen ihrer Wechselwirkungen jede anfängliche Einstellung der 57 Qubits, wie 01101101110… über zwei Impulse hinweg konstant bleibt und nach jeweils zwei Impulsen in den Ausgangszustand zurückkehrt.

Bild von Rostislav Uzunov auf Pixabay