Wenn Elektrizität durch einen Quarzkristall fließt, wird ein Impuls erzeugt, mit dem Sie die Uhr einstellen können. Andererseits kann man, nachdem man begonnen hat, den Kristall der Zeit zu schmelzen, die tiefsten Geheimnisse des Universums durchdringen.
Ein Forscherteam in Japan hat gezeigt, dass die Quantengrundlagen von Partikeln, die wie Zeitkristalle angeordnet sind, theoretisch verwendet werden können, um einige recht komplexe Netzwerke vom menschlichen Gehirn bis zum Internet darzustellen, wenn sie zusammenbrechen.
“In der klassischen Welt wäre dies nicht möglich gewesen, da dies eine enorme Menge an Rechenleistung erfordert hätte”, sagt Martha Estarellas, Quantencomputerin am Nationalen Institut für Informatik (NII) in Tokio.
“Wir bieten nicht nur eine neue Art, Quantenprozesse darzustellen und zu verstehen, sondern auch eine neue Sichtweise auf Quantencomputer.”
Seit sie 2012 von Nobelpreisträger Frank Wilczek erstmals theoretisch beschrieben wurden, haben Zeitkristalle die Grundlagen der Physik in Frage gestellt.
Die Version des neuen Materiezustands ähnelt verdächtig der ständigen Bewegung – die Teilchen werden periodisch neu angeordnet, ohne Energie zu verbrauchen oder zu verlieren, und wiederholen sich rechtzeitig.
Dies liegt daran, dass die Wärmeenergie, die von ihren Atomen geteilt wird, nicht genau mit dem Hintergrund ins Gleichgewicht kommen kann.
Es ist ein bisschen wie eine heiße Tasse Tee, die etwas heißer bleibt als die Umgebung, egal wie lange sie auf Ihrem Tisch steht. Nur da die Energie in diesen tickenden Materieklumpen nicht anderweitig verwendet werden kann, vermeidet die Theorie der Zeitkristalle die Verletzung physikalischer Gesetze.
Noch vor wenigen Jahren haben Experimentalphysiker die Linie der Ytterbiumionen erfolgreich so positioniert, dass ihre verschränkten Elektronenspins bei Beleuchtung mit einem Laser auf diese Weise aus dem Gleichgewicht geraten.
Ein ähnliches Verhalten wurde bei anderen Materialien beobachtet, was neue Erkenntnisse darüber lieferte, wie sich Quantenwechselwirkungen in verschränkten Partikelsystemen entwickeln können.
Zu wissen, dass es ein zeitkristallartiges Verhalten gibt, ist gut. Die nächste Frage lautet: Können wir ihre Einzigartigkeit für etwas Praktisches nutzen?
In einer neuen Studie zeigten die Forscher mithilfe einer Reihe von Werkzeugen zur Abbildung potenzieller Änderungen des Ortes des Zeitkristalls (wie im folgenden Video gezeigt), wie die diskrete Zerstörung des Zeitkristallgeräts – das Schmelzen – eine Kategorie hochkomplexer Netzwerke nachahmt.
“Diese Art von Netzwerk ist nicht regelmäßig oder zufällig, sondern enthält nicht triviale topologische Strukturen, die in vielen biologischen, sozialen und technologischen Systemen zu finden sind”, schreiben die Forscher in ihrem Bericht.
Die Simulation eines solch komplexen Systems auf einem Supercomputer kann unpraktisch lange Zeiträume und eine erhebliche Menge an Ausrüstung und Energie erfordern, wenn dies überhaupt möglich ist.
Quantum Computing basiert jedoch auf einer völlig anderen Art der Berechnung – unter Verwendung der Mathematik der Wahrscheinlichkeit von Materiezuständen, die als “Qubits” bezeichnet werden, vor der Messung.
Die richtige Kombination von Qubits, die als hin und her schwingende Zeitkristalle angeordnet sind, könnte Signale darstellen, die sich durch riesige Netzwerke von Neuronen bewegen, Quantenbeziehungen zwischen Molekülen oder Computern, die auf der ganzen Welt miteinander kommunizieren.
“Mit dieser Multi-Qubit-Methode können Sie ein komplexes Netzwerk von der Größe des gesamten globalen Internets simulieren”, sagt der theoretische Physiker Kae Nemoto von NII.
Die Anwendung dessen, was wir über Zeitkristalle lernen, auf diese sich entwickelnde Technologieform könnte uns eine völlig neue Möglichkeit bieten, alles von neuen Medikamenten bis hin zur zukünftigen Kommunikation abzubilden und zu modellieren.
Wie dem auch sei, wir berühren kaum das Potenzial dieses neuen Materiezustands. Aufgrund dieser Forschung können wir sicher sein, dass die Zeit für die Zukunft des Quantencomputers auf unserer Seite steht.
Die Forschung wird in Science Advances veröffentlicht.
