Googles Wissenschaftler jetzt ziemlich aufregend sagen, dass ihre Ergebnisse einen “skalierbaren Ansatz” zur Untersuchung von Zeitkristallen auf aktuellen Quantenprozessoren etablieren.
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In einem neuen Forschungspapier behaupten Google-Wissenschaftler, einen Quantenprozessor für eine nützliche wissenschaftliche Anwendung verwendet zu haben: um einen echten Zeitkristall zu beobachten.
Wenn “Zeitkristall” ziemlich nach Science-Fiction klingt, liegt das daran, dass sie es sind. Zeitkristalle sind nicht weniger als eine neue “Phase der Materie”, wie Forscher es ausdrücken, die seit einigen Jahren als neuer Zustand theoretisiert wird, der sich möglicherweise in die Reihe von Festkörpern, Flüssigkeiten, Gasen, Kristallen und so weiter einreihen könnte. Das Papier verbleibt im Vordruck und erfordert noch eine Peer-Review.
Zeitkristalle sind auch schwer zu finden. Aber die Wissenschaftler von Google sagen jetzt ziemlich aufregend, dass ihre Ergebnisse einen “skalierbaren Ansatz” darstellen, um Zeitkristalle auf aktuellen Quantenprozessoren zu untersuchen.
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Um zu verstehen, warum Zeitkristalle interessant sind, braucht es ein wenig physikalisches Hintergrundwissen – insbesondere die Kenntnis des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, der besagt, dass Systeme von Natur aus zu einer Anordnung mit möglichst geringer Energie tendieren, auch bekannt als thermisches Gleichgewicht. So schmilzt beispielsweise ein Eiswürfel in einem Glas Wasser bei Raumtemperatur.
Dieser unwiderstehliche Drang zum thermischen Gleichgewicht, wie er im zweiten Hauptsatz der Thermodynamik beschrieben wird, spiegelt die Tatsache wider, dass sich alle Dinge in Richtung weniger nützlicher, zufälliger Zustände bewegen. Im Laufe der Zeit degenerieren Systeme unweigerlich in Chaos und Unordnung, ein Begriff, der als Entropie bekannt ist.
Zeitkristalle hingegen können sich nicht im thermischen Gleichgewicht einpendeln. Anstatt langsam in Richtung Zufälligkeit zu degenerieren, bleiben sie in zwei hochenergetischen Konfigurationen stecken, zwischen denen sie wechseln – und dieses Hin und Her kann ewig so weitergehen, was Wissenschaftler als “perpetuum mobile” bezeichnen.
Um dies besser zu erklären, zieht Curt von Keyserlingk, Dozent an der Fakultät für Physik und Astronomie der University of Birmingham, der nicht an Googles neuestem Experiment teilgenommen hat, einige Folien aus einem Einführungsvortrag vor Studieninteressierten. “Sie geben normalerweise vor, sie zu verstehen, also könnte es nützlich sein”, warnt von Keyserlingk ZDNet.
Es beginnt mit einem Gedankenexperiment: Nimm eine Kiste in einem geschlossenen System, die vom Rest des Universums isoliert ist, lade sie mit ein paar Dutzend Münzen und schüttle sie millionenfach. Wenn die Münzen voneinander abprallen, verschieben sie zufällig die Positionen und werden zunehmend chaotischer. Beim Öffnen der Schachtel ist zu erwarten, dass Sie ungefähr die Hälfte der Münzen auf der Kopfseite und die Hälfte auf der Rückseite sehen.
Es spielt keine Rolle, ob das Experiment mit mehr Münzen auf dem Schwanz oder mehr Münzen auf dem Kopf begann: Das System vergisst die ursprüngliche Konfiguration und wird beim Schütteln zunehmend zufällig und chaotisch.
Dieses geschlossene System ist, wenn es in die Quantendomäne übersetzt wird, die perfekte Umgebung, um Zeitkristalle zu finden, und es ist das einzige, das bisher bekannt ist. „Die einzigen stabilen Zeitkristalle, die wir uns in geschlossenen Systemen vorgestellt haben, sind quantenmechanisch“, sagt von Keyserlingk.
Geben Sie den Quantenprozessor Sycamore von Google ein, der für seine Quantenüberlegenheit bekannt ist und nun nach einer nützlichen Anwendung für Quantencomputing sucht.
Ein Quantenprozessor ist per Definition ein perfektes Werkzeug, um ein quantenmechanisches System zu replizieren. In diesem Szenario stellte Googles Team die Coins in the Box mit Qubits dar, die sich in einem geschlossenen System nach oben und unten drehen; und anstatt die Kiste zu schütteln, wendeten sie eine Reihe spezifischer Quantenoperationen an, die den Zustand der Qubits ändern können, und wiederholten sie viele Male.
Hier trotzen Zeitkristalle allen Erwartungen. Betrachtet man das System nach einer bestimmten Anzahl von Operationen oder Shakes, zeigt sich eine Konfiguration von Qubits, die nicht zufällig ist, sondern dem ursprünglichen Aufbau ziemlich ähnlich sieht.
„Die erste Zutat, aus der ein Zeitkristall besteht, ist, dass er sich daran erinnert, was er anfangs gemacht hat. Er vergisst nicht“, sagt von Keyserlingk. “Das Münzen-in-einer-Box-System vergisst, aber ein Zeitkristallsystem nicht.”
Hier hört es nicht auf. Schütteln Sie das System eine gerade Anzahl von Malen, und Sie erhalten eine ähnliche Konfiguration wie das Original – aber schütteln Sie es eine ungerade Anzahl von Malen, und Sie erhalten ein anderes Setup, bei dem die Schwänze auf Kopf und umgekehrt gedreht wurden -versa.
Und egal, wie viele Operationen auf dem System ausgeführt werden, es wird immer Flip-Flop und wechselt regelmäßig zwischen diesen beiden Zuständen hin und her.
Wissenschaftler nennen dies einen Bruch in der Symmetrie der Zeit – deshalb werden Zeitkristalle so genannt. Dies liegt daran, dass die zur Stimulierung des Systems durchgeführte Operation immer die gleiche ist und dennoch die Reaktion nur bei jedem zweiten Schütteln erfolgt.
“Im Google-Experiment führen sie eine Reihe von Operationen an dieser Kette von Drehungen durch, dann tun sie immer wieder genau dasselbe. Sie tun beim hundertsten Schritt dasselbe wie beim millionsten Schritt, wenn sie gehen soweit”, sagt von Keyserlingk.
“Also unterwerfen sie das System einer Reihe von Bedingungen, die Symmetrie haben, und dennoch reagiert das System auf eine Weise, die diese Symmetrie durchbricht. Es ist alle zwei Perioden gleich, anstatt in jeder Periode. Das macht es aus buchstäblich ein Zeitkristall.”
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Das Verhalten von Zeitkristallen ist aus wissenschaftlicher Sicht faszinierend: Im Gegensatz zu allen anderen bekannten Systemen neigen sie nicht zu Unordnung und Chaos. Im Gegensatz zu den Münzen in der Schachtel, die alle durcheinander geraten und sich etwa halb Kopf und halb Zahl setzen, widersetzen sie sich dem Entropiegesetz, indem sie in einem speziellen Zeitkristallzustand stecken bleiben.
Mit anderen Worten, sie trotzen dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, der im Wesentlichen die Richtung definiert, die alle Naturereignisse nehmen. Denken Sie einen Moment darüber nach.
Solche speziellen Systeme sind nicht leicht zu beobachten. Zeitkristalle sind seit 2012 ein interessantes Thema, als der mit dem Nobelpreis ausgezeichnete MIT-Professor Frank Wilczek anfing, über sie nachzudenken; und die Theorie wurde seitdem viele Male widerlegt, debattiert und widersprochen.
Bis heute wurden mit unterschiedlichem Erfolg mehrere Versuche unternommen, Zeitkristalle zu erzeugen und zu beobachten. Erst letzten Monat veröffentlichte ein Team der Technischen Universität Delft in den Niederlanden einen Vorabdruck, aus dem hervorgeht, dass ein Zeitkristall in einen Diamantprozessor eingebaut wurde, wenn auch ein kleineres System als das von Google behauptete.
Als Zeitkristall dienten die Forscher des Suchriesen einen Chip mit 20 Qubits – viel mehr, als es bisher mit einem klassischen Computer möglich war, so von Keyserlingk.
Mit einem Laptop seien etwa 10 Qubits relativ einfach zu simulieren, erklärt von Keyserlingk. Wenn man noch mehr hinzufügt, sind die Grenzen aktueller Hardware schnell erreicht: Jedes zusätzliche Qubit benötigt exponentiell viel Speicher.
Der Wissenschaftler hört nicht auf zu sagen, dass dieses neue Experiment eine Demonstration der Quantenüberlegenheit ist. “Sie sind nicht ganz weit genug, um sagen zu können, dass es mit einem klassischen Computer unmöglich ist, weil es vielleicht eine clevere Möglichkeit gibt, es auf einen klassischen Computer zu übertragen, an die ich nicht gedacht habe”, sagt von Keyserlingk .
“Aber ich denke, dies ist die bisher überzeugendste experimentelle Demonstration eines Zeitkristalls.”
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Durch den Umfang und die Kontrolle von Googles Experiment ist es möglich, Zeitkristalle länger zu betrachten, detaillierte Messungen durchzuführen, die Größe des Systems zu variieren und so weiter. Mit anderen Worten, es ist eine nützliche Demonstration, die die Wissenschaft wirklich voranbringen könnte – und als solche könnte sie der Schlüssel dazu sein, die zentrale Rolle zu zeigen, die Quantensimulatoren bei der Ermöglichung von Entdeckungen in der Physik spielen werden.
Natürlich gibt es einige Vorbehalte. Wie alle Quantencomputer leidet auch der Prozessor von Google immer noch unter Dekohärenz, die einen Zerfall der Quantenzustände der Qubits verursachen kann und dazu führt, dass die Schwingungen der Zeitkristalle unweigerlich aussterben, wenn die Umgebung das System stört.
Der Vorabdruck argumentiert jedoch, dass dieses Problem gemildert werden könnte, wenn der Prozessor effektiver isoliert wird.
Eines ist sicher: Zeitkristalle werden so schnell nicht in unseren Wohnzimmern sitzen, denn eine endgültige sinnvolle Anwendung muss die Wissenschaft noch finden. Es ist daher unwahrscheinlich, dass es bei Googles Experiment darum ging, den geschäftlichen Wert von Zeitkristallen zu untersuchen; es zeigt vielmehr, was möglicherweise eine weitere frühe Anwendung des Quantencomputings sein könnte, und eine weitere Demonstration der technologischen Leistungsfähigkeit des Unternehmens in einem heiß umkämpften neuen Entwicklungsgebiet.
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