Onderzoekers hebben een doorbraak in de kwantumfysica bereikt door het meest complexe tijdkristal tot nu toe in een kwantumcomputer te creëren. Dit experiment verlegt niet alleen de grenzen van wat mogelijk is met deze exotische toestanden van materie; het benadrukt ook het groeiende potentieel van kwantumcomputers als krachtige hulpmiddelen voor wetenschappelijke ontdekkingen.
De vreemde wereld van tijdkristallen
Traditionele kristallen vertonen herhalende patronen in ruimte – denk aan de regelmatige rangschikking van atomen in een diamant. Tijdkristallen herhalen echter patronen in tijd. In plaats van stil te zitten, doorlopen ze voor onbepaalde tijd configuraties, waarbij ze schijnbaar de gebruikelijke regels van de thermodynamica trotseren.
Aanvankelijk leek deze eeuwigdurende beweging in strijd te zijn met de natuurkunde, maar de afgelopen tien jaar hebben wetenschappers met succes tijdkristallen in laboratoria gecreëerd. De nieuwste ontwikkeling, geleid door Nicolás Lorente van het Donostia International Physics Center in Spanje, maakt gebruik van een supergeleidende kwantumcomputer van IBM om een veel complexere versie te construeren dan ooit tevoren.
Van één dimensie naar honingraat: een 2D-tijdkristal
Eerdere studies concentreerden zich vooral op eendimensionale tijdkristallen, vergelijkbaar met een eenvoudige rij atomen. Het team van Lorente ging de uitdaging aan om een tweedimensionaal tijdkristal te bouwen. Ze gebruikten 144 supergeleidende qubits, gerangschikt in een honingraatachtig patroon, waarbij elke qubit fungeerde als een deeltje met kwantumspin. Door de interacties tussen deze qubits nauwkeurig te controleren, induceerden ze het tijdkristalgedrag.
De sleutel was niet alleen het creëren van het tijdkristal, maar ook het programmeren van de interacties om specifieke sterke punten en patronen te produceren. Dankzij dit controleniveau konden ze het ‘fasediagram’ van het systeem in kaart brengen – in wezen een uitgebreide grafiek die alle mogelijke toestanden weergeeft. Net zoals een fasediagram van water laat zien of het vloeibaar, vast of gas is, geeft deze kaart details over het gedrag van het kwantumsysteem.
Waarom dit belangrijk is: kwantumcomputers als hulpmiddelen voor materiaalontwerp
Jamie Garcia van IBM, niet verbonden aan het onderzoek, suggereert dat dit experiment de eerste stap zou kunnen zijn in de richting van het gebruik van kwantumcomputers om nieuwe materialen te ontwerpen. Het begrijpen van het volledige bereik van de eigenschappen van een kwantumsysteem – zelfs de ongebruikelijke eigenschappen zoals tijdkristallen – zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de materiaalwetenschap.
Momenteel zijn simulaties van complexe kwantummodellen te veeleisend voor conventionele computers, waardoor vaak benaderingen nodig zijn. Maar zelfs bestaande kwantumcomputers zijn niet perfect; ze hebben last van fouten. Dit onderzoek vereiste een hybride aanpak: gebruik maken van conventionele methoden om te schatten waar de resultaten van de kwantumcomputer onbetrouwbaar worden, en vervolgens gebruik maken van de exacte (hoewel foutgevoelige) berekeningen van de kwantumcomputer.
De toekomst van kwantumsimulaties
Biao Huang van de Universiteit van de Chinese Academie van Wetenschappen merkt op dat het simuleren van tweedimensionale systemen numeriek gezien notoir moeilijk is. Dit experiment, met meer dan 100 qubits, biedt een essentiële benchmark voor toekomstig onderzoek. Bovendien zou het de kloof kunnen overbruggen tussen tijdkristallen die op kwantumcomputers worden gesimuleerd en vergelijkbare toestanden die in kwantumsensoren worden aangetroffen.
Dit werk vertegenwoordigt opwindende experimentele vooruitgang voor verschillende onderzoeksgebieden naar kwantummaterie. Concreet zou het kunnen helpen tijdkristallen, die op kwantumcomputers kunnen worden gesimuleerd, te verbinden met soortgelijke toestanden die kunnen worden gecreëerd in sommige soorten kwantumsensoren.
De combinatie van benaderende klassieke methoden en exacte (maar onvolmaakte) kwantumberekeningen zal ons begrip van complexe kwantummodellen verfijnen, waardoor mogelijk nieuwe doorbraken in materiaalontwerp en daarbuiten kunnen worden ontsloten.
Deze vooruitgang versterkt het idee dat kwantumcomputers niet alleen snellere processors zijn; het zijn fundamenteel verschillende machines die in staat zijn problemen aan te pakken die buiten het bereik van klassieke berekeningen liggen.
