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Die Verbindung zweier „Zeitkristalle“ in einer Superflüssigkeit aus Helium-3 bis knapp ein Zehntausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt könnte ein großer Schritt in Richtung eines neuen Typs von Quantencomputer sein.
Zeitkristalle sind seltsame Strukturen von Atomen, deren Existenz erst 2012 erwartet wurde, mit experimentellem Beweis einige Jahre später. In einem gewöhnlichen Kristall wie Diamant oder Salz sind die Atome in einem sich regelmäßig wiederholenden räumlichen Muster angeordnet – einem Gitter oder ähnlichen Rahmen. Und wie die meisten Materialien hören die Atome auf zu schwingen, wenn sie sich in ihrem Grundzustand befinden – dem niedrigstmöglichen Energieniveau.
Andererseits bestehen Zeitkristalle aus Atomen, die sich eher in der Zeit als im Raum wiederholen und selbst in ihrem Grundzustand hin und her oszillieren oder sich drehen. Sie können diese Bewegung dauerhaft aufrechterhalten, ohne dass dabei Energie zugeführt oder Energie verloren geht.
Dabei können diese Zeitkristalle ein Konzept herausfordern, das als bekannt ist Entropie. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik beschreibt die Entropie als die Zunahme der Unordnung eines Systems mit der Zeit. Betrachten Sie als Beispiel die Umlaufbahnen der Planeten um uns herum Die Sonne. Der Einfachheit halber stellen wir uns vor, dass sie sich in der Reihenfolge der Uhr bewegen und in ihren jeweiligen Umlaufbahnen immer zur gleichen Zeit an denselben Ort zurückkehren. Aber in Wirklichkeit sind die Dinge chaotisch: Schwere Andere Planeten oder Transitsterne können an Planeten ziehen und zerren und ihre Umlaufbahnen geringfügig ändern.
Daher die Planeten umkreisen Es ist von Natur aus chaotisch. Eine einfache Änderung eines von ihnen kann große Auswirkungen auf alle haben. Das System wird mit der Zeit ungeordnet – die Entropie des Systems nimmt zu.
Zeitkristalle können Entropieeffekte aufgrund eines Prinzips der Quantenmechanik, das als „Lokalisierung vieler Objekte“ bekannt ist, negieren. Wenn eine Kraft von einem einzelnen Atom in einem Zeitkristall gefühlt wird, wirkt sie sich nur auf dieses Atom aus. Daher wird die Änderung als lokal und nicht als global (im gesamten System) betrachtet. Dadurch wird das System nicht chaotisch und lässt wiederholte Oszillationen theoretisch ewig anhalten.
„Jeder weiß, dass Perpetuum mobile-Maschinen unmöglich sind“, sagte Samuli Ooty, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Dozent für Physik an der Lancaster University im Vereinigten Königreich. Aussage. „Aber in der Quantenphysik ist Perpetuum mobile in Ordnung, solange wir unsere Augen schließen.“
Otti, der die Forschung leitete, verweist auf die Heisenbergsche Unschärferelation, die darauf hinweist, wie eine Quantenwellenfunktion kollabiert, wenn ein Quantensystem beobachtet und gemessen wird. Aufgrund ihrer quantenmechanischen Natur können Zeitkristalle nur dann mit 100 % Effizienz arbeiten, wenn sie vollständig von ihrer Umgebung isoliert sind. Diese Anforderung begrenzt die Zeitdauer, die beobachtet werden kann, bis sie infolge des Zusammenbruchs der Wellenfunktion vollständig zusammenbricht.
Auttis Team gelang es jedoch, Zeitkristalle zu liefern, indem sie eine Menge davon kühlten Helium 3, ein Heliumisotop. Helium-3 ist etwas Besonderes, denn wenn es auf einen Bruchteil über dem absoluten Nullpunkt (minus 459,67 Grad Fahrenheit oder minus 273 Grad Celsius) gekühlt wird, wird das Isotop zu einem Suprafluid, was viele Materialien nicht können. In einem Suprafluid gibt es keine Viskosität, sodass keine kinetische Energie durch Reibung verloren geht, sodass Bewegungen – wie die in einem Zeitkristall – unbegrenzt fortgesetzt werden können.
Ottis Team, das an der Aalto-Universität in Finnland arbeitet, manipulierte dann Helium-3-Atome, um Zeitkristalle zu bilden, die miteinander interagieren. Darüber hinaus beobachteten sie diese Kristallzeitkopplung für eine Rekordzeit von etwa 1.000 Sekunden (ungefähr 17 Minuten), was Milliarden von Schwingungsperioden oder Rotationsbewegungen von Atomen entspricht, bevor die Wellenfunktion der Zeitkristalle verblasste.
„Es stellt sich heraus, dass es wunderbar funktioniert, die beiden zusammenzubringen“, sagte Ottie.
Die Ergebnisse bilden eine vielversprechende Forschungslinie für eine voll funktionsfähige Entwicklung Quantencomputer. Während die Bits eines normalen Computers binär sind – 1s oder 0s, an oder aus – Verarbeitungsrate Quantencomputer Viel schneller, weil es „Qubits“ verwendet, die gleichzeitig 1 und 0 sein können. Eine Möglichkeit, einen Quantencomputer zu bauen, besteht darin, unzählige Zeitkristalle miteinander zu verbinden, von denen jeder als Qubit fungiert. Daher hat dieses erste Experiment der Verbindung von Zeitkristallen den Grundbaustein eines Quantencomputers geschaffen.
Frühere Experimente haben bereits gezeigt, dass die Kristalle für einige Zeit bei Raumtemperatur arbeiten können, anstatt auf nahezu den absoluten Nullpunkt gekühlt werden zu müssen, was den Bau erleichtert. Laut Ottis Team besteht die nächste Aufgabe darin, zu zeigen, dass logische Gatteroperationen, Funktionen, die es einem Computer ermöglichen, Informationen zu verarbeiten, zwischen zwei oder mehr Zeitkristallen operieren können.
Die Forschung wurde am 2. Juni in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation (Öffnet in einem neuen Tab).
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