Forscher haben einen Durchbruch in der Quantenphysik erzielt, indem sie den bislang komplexesten Zeitkristall in einem Quantencomputer geschaffen haben. Dieses Experiment verschiebt nicht nur die Grenzen dessen, was mit diesen exotischen Materiezuständen möglich ist; Es unterstreicht auch das wachsende Potenzial von Quantencomputern als leistungsstarke Werkzeuge für wissenschaftliche Entdeckungen.
Die seltsame Welt der Zeitkristalle
Traditionelle Kristalle weisen sich wiederholende Muster im Raum auf – denken Sie an die regelmäßige Anordnung der Atome in einem Diamanten. Zeitkristalle wiederholen jedoch Muster in der Zeit. Anstatt still zu sitzen, durchlaufen sie Konfigurationen auf unbestimmte Zeit und widersprechen scheinbar den üblichen Regeln der Thermodynamik.
Anfangs schien dieses Perpetuum mobile gegen die Physik zu verstoßen, doch im letzten Jahrzehnt ist es Wissenschaftlern gelungen, Zeitkristalle in Laboren herzustellen. Der neueste Fortschritt unter der Leitung von Nicolás Lorente am Donostia International Physics Center in Spanien nutzt einen supraleitenden Quantencomputer von IBM, um eine weitaus komplexere Version als je zuvor zu konstruieren.
Von einer Dimension zur Bienenwabe: Ein 2D-Zeitkristall
Frühere Studien konzentrierten sich hauptsächlich auf eindimensionale Zeitkristalle, ähnlich einer einfachen Linie von Atomen. Lorentes Team stellte sich der Herausforderung, einen zweidimensionalen Zeitkristall zu bauen. Sie verwendeten 144 supraleitende Qubits, die in einem wabenartigen Muster angeordnet waren, wobei jedes Qubit als Teilchen mit Quantenspin fungierte. Durch die präzise Steuerung der Wechselwirkungen zwischen diesen Qubits induzierten sie das Zeitkristallverhalten.
Der Schlüssel lag nicht nur darin, den Zeitkristall zu erschaffen, sondern auch darin, die Interaktionen zu programmieren, um bestimmte Stärken und Muster hervorzubringen. Dieses Maß an Kontrolle ermöglichte es ihnen, das „Phasendiagramm“ des Systems abzubilden – im Wesentlichen ein umfassendes Diagramm, das alle möglichen Zustände zeigt. So wie ein Phasendiagramm von Wasser verrät, ob es flüssig, fest oder gasförmig ist, beschreibt diese Karte das Verhalten des Quantensystems.
Warum das wichtig ist: Quantencomputer als Materialdesign-Tools
Jamie Garcia von IBM, der nicht an der Forschung beteiligt ist, schlägt vor, dass dieses Experiment der erste Schritt zur Verwendung von Quantencomputern zum Design neuer Materialien sein könnte. Das Verständnis des gesamten Spektrums der Eigenschaften eines Quantensystems – selbst der ungewöhnlichen wie Zeitkristalle – könnte die Materialwissenschaft revolutionieren.
Derzeit sind Simulationen komplexer Quantenmodelle für herkömmliche Computer zu anspruchsvoll und erfordern häufig Näherungen. Aber selbst bestehende Quantencomputer sind nicht perfekt; sie leiden unter Fehlern. Diese Forschung erforderte einen hybriden Ansatz: die Verwendung herkömmlicher Methoden zur Abschätzung der Stellen, an denen die Ergebnisse des Quantencomputers unzuverlässig werden, und die anschließende Nutzung der genauen (wenn auch fehleranfälligen) Berechnungen des Quantencomputers.
Die Zukunft der Quantensimulationen
Biao Huang von der Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften weist darauf hin, dass die Simulation zweidimensionaler Systeme numerisch bekanntermaßen schwierig ist. Dieses Experiment mit über 100 Qubits stellt einen wichtigen Maßstab für zukünftige Forschungen dar. Darüber hinaus könnte es die Lücke zwischen auf Quantencomputern simulierten Zeitkristallen und ähnlichen Zuständen in Quantensensoren schließen.
Diese Arbeit stellt einen spannenden experimentellen Fortschritt für mehrere Bereiche der Untersuchung der Quantenmaterie dar. Konkret könnte es dabei helfen, Zeitkristalle, die auf Quantencomputern simuliert werden können, mit ähnlichen Zuständen zu verbinden, die in einigen Arten von Quantensensoren erzeugt werden können.
Die Kombination aus ungefähren klassischen Methoden und exakten (aber unvollkommenen) Quantenberechnungen wird unser Verständnis komplexer Quantenmodelle verfeinern und möglicherweise neue Durchbrüche im Materialdesign und darüber hinaus ermöglichen.
Dieser Fortschritt bestärkt die Idee, dass Quantencomputer nicht nur schnellere Prozessoren sind; Es handelt sich um grundlegend unterschiedliche Maschinen, die in der Lage sind, Probleme zu lösen, die über die Möglichkeiten klassischer Berechnungen hinausgehen.
