Physiker haben ein System aus zwei miteinander verbundenen Zeitkristallen geschaffen, bei denen es sich um seltsame Quantensysteme handelt, die in einer Endlosschleife stecken, auf die die normalen Gesetze der Thermodynamik nicht zutreffen. Durch die Verbindung zweier Zeitkristalle hoffen Physiker, die Technologie nutzen zu können, um schließlich einen neuen Typ von Quantencomputer zu bauen.
„Es ist ein seltenes Privileg, eine völlig neue Phase der Materie zu erforschen“, sagte Samuli Autti, der leitende Projektwissenschaftler an der Lancaster University in Großbritannien, gegenüber Live Science in einer E-Mail.
Vom Kristall zum Zeitkristall
Normale Kristalle begegnen uns im Alltag ständig, vom Eis in einem Cocktail bis hin zu Diamanten in Schmuck. Obwohl Kristalle anmutig sind, stellen sie für einen Physiker einen Bruch mit den normalen Symmetrien der Natur dar.
Die Gesetze der Physik sind symmetrisch im Raum. Das bedeutet, dass die Grundgleichungen von Schwere oder Elektromagnetismus oder Quantenmechanik gilt gleichermaßen für das gesamte Volumen der Universum. Sie arbeiten auch in jede Richtung. Ein um 90 Grad gedrehtes Laborexperiment sollte also die gleichen Ergebnisse liefern (alles andere ist natürlich gleich).
Aber in einem Kristall ist diese schöne Symmetrie gebrochen. Die Moleküle eines Kristalls ordnen sich in einer Vorzugsrichtung an, wodurch eine sich wiederholende räumliche Struktur entsteht. Ein Kristall ist im Physikerjargon ein Paradebeispiel für „spontane Symmetriebrechung“: Die Grundgesetze der Physik bleiben symmetrisch, nicht aber die Anordnung der Moleküle.
2012 stellte der Physiker Frank Wilczek vom Massachusetts Institute of Technology fest, dass die Gesetze der Physik auch zeitlich symmetrisch sind. Dies bedeutet jedes Experiment, das zu einem späteren Zeitpunkt wiederholt wird Zeit es sollte das gleiche Ergebnis liefern. Wilczek stellte eine Analogie zu normalen Kristallen her, jedoch in der Dimension der Zeit, und nannte diese spontane Symmetrie, die die Zeit durchquert, einen Zeitkristall. Ein paar Jahre später gelang es den Physikern endlich, eines zu bauen.
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Quantengeheimnisse
„Ein Zeitkristall bewegt sich ständig und wiederholt sich regelmäßig im Laufe der Zeit, wenn keine Anregung von außen kommt“, sagte Autti. Dies ist möglich, weil sich der Zeitkristall in seinem niedrigsten Energiezustand befindet. Die Grundregeln der Quantenmechanik verhindern, dass die Bewegung völlig stillsteht und somit der Zeitkristall in seiner Endlosschleife „stecken bleibt“.
„Das bedeutet, dass es sich um Perpetuum Mobile handelt und daher unmöglich ist“, bemerkte Autti.
Die Gesetze der Thermodynamik deuten darauf hin, dass Systeme im Gleichgewicht zu größerer Entropie oder Unordnung neigen: Eine Tasse Kaffee, die draußen steht, kühlt immer ab, ein Pendel hört irgendwann auf zu schwingen, und der Ball, der auf den Boden rollt, hört schließlich auf. Aber ein Zeitkristall fordert ihn heraus oder ignoriert ihn einfach, weil die Regeln der Thermodynamik für ihn nicht zu gelten scheinen. Stattdessen unterliegen Zeitkristalle der Quantenmechanik, den Regeln, die den Zoo der subatomaren Teilchen beherrschen.
„In der Quantenphysik ist ein Perpetuum Mobile in Ordnung, solange wir die Augen geschlossen halten und erst dann langsamer werden müssen, wenn wir die Bewegung beobachten“, sagt Autti und verweist darauf, dass die exotischen Zustände der Quantenmechanik Zeit brauchen Kristalle können nicht weiter funktionieren, sobald sie mit ihrer Umgebung interagieren (z. B. wenn wir sie beobachten).
Dies impliziert, dass Physiker Zeitkristalle nicht direkt beobachten können. In dem Moment, in dem sie versuchen, einen anzuschauen, brechen die Quantenregeln, die ihnen ihre Existenz erlauben, und der Zeitkristall stoppt. Und dieses Konzept geht über die Beobachtung hinaus: Jede ausreichend starke Wechselwirkung mit der äußeren Umgebung, die den Quantenzustand des Zeitkristalls unterbricht, wird dazu führen, dass er aufhört, ein Zeitkristall zu sein.
Hier kam Auttis Team ins Spiel und versuchte, durch klassische Beobachtungen einen Weg zu finden, mit einem Quantenzeitkristall zu interagieren. Im kleinsten Maßstab regiert die Quantenphysik. Aber Käfer und Katzen, Planeten und Schwarze Löcher lassen sich am besten durch die deterministischen Regeln der klassischen Mechanik beschreiben.
„Das Kontinuum von der Quantenphysik zur klassischen Physik ist nach wie vor kaum verstanden. Wie das eine zum anderen wird, ist eines der wichtigsten Rätsel der modernen Physik. Zeitkristalle umfassen einen Teil der Schnittstelle zwischen den beiden Welten. Vielleicht können wir lernen, wie die Schnittstelle entfernt wird die Zeitkristalle im Detail zu studieren “, sagte Autti.
Magische Magnonen
In der neuen Studie verwendeten Autti und sein Team „Magnons“, um ihren Zeitkristall zu bauen. Magnonen sind „Quasiteilchen“, die im kollektiven Zustand einer Gruppe entstehen Atome. In diesem Fall nahm das Physikerteam Helium-3 – ein Heliumatom mit zwei Protonen, aber nur einem Neutron – und kühlte es auf ein Zehntausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Bei dieser Temperatur hat sich Helium-3 in ein Bose-Einstein-Kondensat umgewandelt, in dem alle Atome einen gemeinsamen Quantenzustand haben und zusammenarbeiten.
In diesem Kondensat waren alle Spins der Elektronen in Helium-3 verbunden und arbeiteten zusammen und erzeugten Wellen magnetischer Energie, die Magnonen. Diese Wellen bewegten sich ewig hin und her und machten sie zu einem Zeitkristall.
Auttis Team nahm zwei Gruppen von Magnonen, die jeweils als ihr eigener Zeitkristall fungierten, und brachte sie nahe genug, um sich gegenseitig zu beeinflussen. Das kombinierte Magnonensystem wirkte wie ein Kristall mit zwei verschiedenen Zuständen.
Auttis Team hofft, dass ihre Experimente die Beziehung zwischen Quantenphysik und klassischer Physik aufklären können. Ihr Ziel ist es, Zeitkristalle zu bauen, die mit ihrer Umgebung interagieren, ohne dass sich Quantenzustände auflösen, sodass der Zeitkristall weiter funktionieren kann, während er für etwas anderes verwendet wird. Es würde keine freie Energie bedeuten: Bewegung, die mit einem Zeitkristall verbunden ist, hat keine kinetische Energie im üblichen Sinne, aber sie könnte für Quantencomputer verwendet werden.
Zwei Zustände zu haben ist wichtig, weil dies die Grundlage für die Berechnung ist. In klassischen Computersystemen ist die grundlegende Informationseinheit ein Bit, das den Zustand 0 oder 1 annehmen kann, während sich beim Quantencomputing jedes „Qubit“ an mehr als einem Ort gleichzeitig befinden kann, was viel mehr Rechenleistung ermöglicht Macht. .
„Dies könnte bedeuten, dass Zeitkristalle als Bausteine für Quantengeräte verwendet werden können, die auch außerhalb des Labors funktionieren. In einem solchen Unternehmen wäre das zweistufige System, das wir jetzt geschaffen haben, ein grundlegender Baustein“, sagte Autti.
Diese Arbeit ist derzeit noch weit von einem funktionierenden Quantencomputer entfernt, eröffnet aber interessante Forschungsansätze. Wenn Wissenschaftler das Zwei-Zeit-Kristallsystem manipulieren könnten, ohne seine Quantenzustände zu zerstören, könnten sie möglicherweise größere Systeme von Zeitkristallen bauen, die als echte Rechengeräte fungieren.
Ursprünglich veröffentlicht in Live Science.