Quanten-Durchbruch: größter Zeitkristall erzeugt

Wissenschaftler haben den bisher größten Zeitkristall erzeugt – und das ist ein absoluter Durchbruch beim Thema Quantencomputer. Warum? Das erfahrt ihr in diesem Beitrag.

Zeitkristall – klingt irgendwie wie ein mächtiges Artefakt aus dem Star-Trek-Universum, oder? Zeitkristalle sind eine exotische Form von Materie, die nur im Labor existiert. Stellt euch mal einen normalen Kristall vor, etwa einen Salzkristall. Auf mikroskopischer Ebene kann man sehen, dass die Atome, aus denen der Kristall besteht, eine feste Anordnung haben. Sie ergeben ein regelmäßiges Gitter. Kein Atom schert aus diesem Gitter aus und macht irgendwelche quantenmechanischen Spirenzchen. Bei einem Zeitkristall ist das anders. Seine Atome schwingen. Sie verändern sich ständig in einer Art Puls und kehren dann wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurück. Man könnte also sagen, dass die Atome in einem Zeitkristall einen Rhythmus haben. 

Wird verarbeitet …
Erledigt! Sie sind auf der Liste.

Zeitkristalle als Gitter in der Zeit

Normale Kristalle sind Gitter im Raum. Zeitkristalle sind Gitter in der Zeit. Und jetzt wird’s richtig spektakulär: Diese Bewegung der Atome in Zeitkristallen verbraucht keine Energie. Wie ist das möglich? Stellt euch mal vor, ihr habt ein Pendel. Die Bewegung des Pendels kostet Energie, denn ansonsten könnte es für immer weiter schwingen. Wir haben zum Beispiel im Kölner Planetarium ein sogenanntes Focaultsches Pendel, dessen Bewegung durch die Erdrotation beeinflusst wird. Im 19. Jahrhundert konnte der Physiker Léon Foucault mit einem solchen Pendel die Erdrotation nachweisen. Jedenfalls schwingt auch das Focaultsche Pendel nicht für immer, irgendwann hört es auf – sonst wäre es ja ein Perpetuum Mobile, eine unendliche Energiequelle. Doch genau das ist eben bei Zeitkristallen anders, sie verbrauchen für ihre Schwingungen keine Energie. Die Atome pulsieren von ganz alleine. 

Gitterstruktur von Salz

Zeitkristalle als ewiger Energielieferant?

Wäre das etwa die Lösung für die Energieprobleme? Leider nicht. Als Perpetuum mobile wäre ein Zeitkristall nämlich nutzlos: Er hat zwar den beschriebenen atomaren Puls, aber der liefert keine Energie. Selbst eine simple Messung der Atome bei ihrem flotten Tanz kann das Pulsen schon zum Erliegen bringen. Sobald ein Forscherteam beginnt, Zeitkristalle zu untersuchen, leiten sie automatisch deren Zerfall ein. 

Das erste Gesetz der Thermodynamik wird damit nicht verletzt, da wir keine Energie aus dem Kristall extrahieren können, während er in Betrieb ist. Jetzt kann man die berechtigte Frage stellen, warum man überhaupt daran forscht. Klingt ein bisschen sinnlos – aber es gibt ein Schlupfloch, durch das man die Schwingungen des Zeitkristalls doch nutzen könnte und zwar das zweite Gesetz der Thermodynamik. Das besagt, dass Systeme, die sich selbst überlassen sind, im Laufe der Zeit immer unordentlicher werden. Die Entropie nimmt zu. 

Zeitkristalle tendieren zur Entropie

Wenn Ihr eine Tasse fallen lasst, zerspringt sie. Sie wird sich aber niemals von alleine wieder in ihren vorherigen, ordentlicheren Zustand zusammensetzen. Das Schlupfloch ist jetzt Folgendes: Zeitkristalle pulsieren und verändern die Position ihrer Atome. Sie tendieren nicht zur Ordnung und verringern nicht die Entropie. So weit also alles ok mit dem zweiten Gesetz der Thermodynamik. Sie werden aber auch nicht wirklich unordentlicher, da sie ja einen gleichmäßigen Puls behalten. Und das zweite Gesetz der Thermodynamik verbietet nicht, dass ein System sein bestehendes Level an Unordnung einfach beibehält. Es verbietet eine Zunahme an Ordnung aber nicht das Beibehalten eines Levels an Unordnung – und genau das tun Zeitkristalle durch ihr Pulsen in der Zeit. Man erhofft sich in der Zukunft mit diesen Schwingungen von Zeitkristallen einen Quantencomputer betreiben zu können, indem man das System auf die grundsätzliche Recheneinheit von Quantencomputern, den QBits anwendet. 

Was ist ein Qbit?!

Qubits ist die Abkürzung für Quantenbit. Das ist die kleinstmögliche Speichereinheit eines Quantencomputers, also das Quantenäquivalent zu einem Bit bei einem normalen Computer. Ein Qubit hat aber ein bisschen mehr auf dem Kasten. Es basiert auf den Gesetzen der Quantenmechanik und das bedeutet, dass es im Gegensatz zu einem herkömmlichen Bit mehrere Zustände gleichzeitig annehmen kann. Erst wenn man es einer Messung unterzieht, legt es sich für einen konkreten Zustand fest. Das nennt man Superposition.

Darstellung eines Qubits

Und durch diese Eigenschaft mehrere Zustände gleichzeitig haben zu können, können Quantencomputer schon mit wenigen Qubits gigantische Rechenleistungen erzielen. Dafür wäre es aber notwendig, dass die Qubits ohne nennenswerten externen Energiezufluss selber zwischen verschiedenen Positionen hin- und herspringen. 

Und damit wären wir wieder beim Gitter in der Zeit, dem Zeitkristall. Ein Durchbruch bei der Forschung an Zeitkristallen könnte uns also den ersten voll funktionsfähigen Quantencomputer bescheren und damit unsere Zivilisation auf das nächste Level heben, wenn nicht sogar auf das übernächste. 

Quantencomputer von IBM

Und genau dem Punkt sind wir nun näher gekommen durch ein irres Experiment eines Forscherteams der Uni Melbourne in Australien. Sie haben einen Quantencomputer so programmiert, dass er einen Zeitkristall aus 57 Quantenteilchen simuliert. Also 57 Quantenteilchen, die im Zeitgitter schwingen. Der bisherige Rekord lag bei 20 Teilchen. Den haben die Forscher jetzt um mehr als das Doppelte übertroffen. Das gelang ihnen durch eine geschickte Einstellung von Quantenmagneten. 

Da stellt sich die Frage: Wie ist so ein Zeitkristall überhaupt aufgebaut? Er besteht aus einer Kette quantenmechanischer Magnete, also wir reden hier wirklich über die allerkleinste Ebene, die dank der Superposition in beide Richtungen gleichzeitig zeigen können. Benachbarte Magnete neigen dazu, sich in gegensätzliche Richtungen auszurichten. Ein zufälliges lokales Magnetfeld bringt jeden Einzelnen hingegen dazu, in die eine oder die andere Richtung zu zeigen. Ein ständiger magnetischer Strom sorgt dafür, dass sich die Magneten alle zwei Impulse von oben nach unten kippen – oder umgekehrt. Am Ende soll sich diese Konfiguration dann immer wieder um die eigene Achse drehen. 

Ich weiß, das ist alles nur sehr schwer bildlich vorzustellen, deswegen erkläre ich es nochmal so: Stellt euch mal vor, Ihr habt 57 Quantenbits in eurem Labor. Zu eurer absoluten Unzufriedenheit tun die aber nichts, die liegen einfach nur langweilig rum. Deswegen wollt Ihr die jetzt dazu bringen, in einem stabilen zeitlichen Rhythmus zu schwingen – und dabei wisst Ihr aber genau, dass das ganze System extrem fragil ist und schon bei der kleinsten Einwirkungen sofort aufhört, zu schwingen. 

Ihr müsst den Quantenteilchen den exakt richtigen Impuls geben, damit sie den passenden Rhythmus finden. Ein bisschen auch wie ein Codeschloss, bei dem Ihr exakt die korrekte Zahlenfolge eingeben müsst, da es sich ansonsten nicht öffnet. Bei 57 Teilchen ist es eben schon viel komplexer den richtigen Rhythmus zu finden als beim bisherigen Rekord von 20 Teilchen. 

Der größte funktionierende Zeitkristall

Die Forscher der Uni Melbourne programmierten die Teilchen so, dass sie auf die Werte 1, 0 oder 1 und 0 – Stichwort Superposition – gesetzt werden können. Die Teilchen verhalten sich, wie gesagt, zueinander wie Magneten und beeinflussen ihre Ausrichtung dementsprechend. Durch genau die richtige Konfiguration von Einsen und Nullen bleibt das System stabil und beginnt zu schwingen. Und exakt das gelang den Forschern. Irgendwann hatten sie genau die richtige Konfiguration gefunden und die Wechselwirkung der Teilchen blieb bei jeder Anfangseinstellung der 57 Qubits stabil und drehte sich nach zwei Impulsen wieder in den Ausgangszustand zurück. So erschufen sie den größten funktionierenden Zeitkristall. 

Wir leben einfach in einer Zeit, in der Science Fiction schon Realität ist. Dennoch werden noch größere Zeitkristalle nötig sein, um wirklich Quantencomputer mit nennenswerter Rechenleistung zum Laufen zu bringen. Die Forscher der Uni Melbourne, Stephan Rachel und Philipp Frey schreiben zu ihrem Durchbruch: “Quantencomputer befinden sich noch in den Kinderschuhen. Aber wenn sie sich weiterentwickeln, werden sie es Physikern wie uns ermöglichen, unser grundlegendes Verständnis der Natur zu verbessern. Dies wiederum kann sich in technologischen Innovationen niederschlagen, so wie die Physik des letzten Jahrhunderts die digitale Revolution ermöglichte, die unser Leben heute prägt. Quantencomputer bieten eine Plattform für Physiker, um neuartige Materiezustände zu entwickeln und zu untersuchen, die in der Natur nicht vorkommen. Die Zeitkristalle sind nur der Anfang dieses aufregenden Unterfangens.”

Mehr zu diesem spannenden Thema erfahrt ihr in diesem Video:

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