Die langfristigen Aussichten für zuverlässige Quantencomputer können kaum überschätzt werden. Ihr Potenzial, Krankheiten zu heilen, dringend benötigte bahnbrechende Neuerungen in der Materialforschung herbeizuführen und sogar große Probleme wie den Klimawandel zu lösen, ist kein technologisches Geschwätz, sondern eine echte Möglichkeit. Zeitkristalle sind eine völlig neue Form von Materie, in der sich Teilchen ewig bewegen und keine Energie verlieren.
Einem Team der Universität Oxford ist es gelungen, zwei Quantenprozessoren mittels Glasfaser und Quantenteleportation zu vernetzen. Der Durchbruch könnte dazu beitragen, das „Skalierbarkeitsproblem“ der Quanteninformatik zu lösen, also die Schwierigkeit, die Zahl der Qubits in einem System zu erhöhen, ohne das Rauschen zu erhöhen.
Diese verteilte Architektur ähnelt der allgemeinen Struktur klassischer Supercomputer, doch dank Qubits kann das System Probleme in wenigen Stunden lösen, für deren Lösung herkömmliche Supercomputer Jahre benötigen würden.
Die langfristigen Aussichten für zuverlässige Quantencomputer können kaum überschätzt werden. Ihr Potenzial, Krankheiten zu heilen, dringend benötigte bahnbrechende Neuerungen in der Materialforschung herbeizuführen und sogar große Probleme wie den Klimawandel zu lösen, ist kein technologisches Geschwätz, sondern eine echte Möglichkeit. Aufgrund dieser Aussicht investieren Unternehmen und Regierungen jedes Jahr Milliarden, um das Potenzial des Qubit-basierten Computings auszuschöpfen. Zwischen der Gegenwart und diesem fernen Traum stehen jedoch noch immer erhebliche Hindernisse, und die Skalierbarkeit bleibt Feind Nummer eins.
Einfach ausgedrückt: Qubits reagieren unglaublich empfindlich auf ihre Umgebung und erfordern eine äußerst präzise Steuerung. Diese Probleme werden noch größer, je mehr Qubits zum System hinzugefügt werden, und letztendlich führen Verletzungen der Präzision der Quanteninformatik – auch als „Rauschen“ bekannt – zu kaskadierenden Fehlern. Aus diesem Grund wird das aktuelle Zeitalter des Quantencomputings allgemein als das Zeitalter des „Noisy Intermediate-Scale Quantum Computing (NISQ)“ bezeichnet. Diese Quantenprozessoren enthalten maximal 1000 Qubits und sind nicht fehlertolerant genug, um das volle Potenzial des Quantencomputings auszuschöpfen.
Alex Greulich/TU Dortmund
Natürlich verfügen Wissenschaftler über mehrere Methoden, um Quantencomputer weniger fehleranfällig zu machen, darunter eine robuste Fehlerkorrektur und fehlertolerantes Rechnen. Und vor Kurzem ist Wissenschaftlern der Universität Oxford ein entscheidender Durchbruch bei der Erhöhung der Anzahl der Qubits in einem Quantensystem gelungen. Die Idee ist einfach: Anstatt mehr Qubits in ein einziges System zu packen, könnten kleinere Quantenprozessoren ein verteiltes Netzwerk bilden. Theoretisch könnte dies es Wissenschaftlern ermöglichen, die Anzahl der Qubits zu skalieren und gleichzeitig den Rauschpegel niedrig zu halten.
In einem neuen Artikel, der in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, beschreiben die Wissenschaftler detailliert, wie sie Module mit nur einer kleinen Anzahl gefangener Ionen-Qubits mithilfe von Glasfasern zur Übertragung von Photonen verbunden haben. Diese photonischen Verbindungen ermöglichten dann die Verschränkung von Qubits über Glasfasern, wodurch Quantenlogik mittels Quantenteleportation möglich wurde.
„Frühere Demonstrationen der Quantenteleportation konzentrierten sich auf die Übertragung von Quantenzuständen zwischen physikalisch getrennten Systemen“, sagte Dougal Main, Hauptautor der Studie von der Universität Oxford, in einer Pressemitteilung. „In unserer Forschung nutzen wir Quantenteleportation, um Interaktionen zwischen diesen entfernten Systemen herzustellen. Durch sorgfältige Abstimmung dieser Interaktionen können wir Quantenlogikgatter – die grundlegenden Operationen der Quanteninformatik – zwischen Qubits ausführen, die in separaten Quantencomputern untergebracht sind. Dieser Durchbruch ermöglicht es uns, einzelne Quantenprozessoren effektiv zu einem einzigen, vollständig vernetzten Quantencomputer zu „verknüpfen“.
Um dieses neue System zu testen, führte das Team den sogenannten Grover-Suchalgorithmus aus, der erstmals 1996 vom indisch-amerikanischen Informatiker Lov Grover beschrieben wurde. Bei dieser Suche wird in einem großen unstrukturierten Datensatz nach einem bestimmten Element gesucht, wobei Überlagerung und Verschleierung parallel eingesetzt werden. Der Suchalgorithmus weist außerdem eine quadratische Beschleunigung auf, was bedeutet, dass der Quantencomputer das Problem mit der Quadratwurzel der Eingabedaten lösen kann, anstatt nur mit einer linearen Erhöhung. Die Autoren berichten, dass das System eine Erfolgsquote von 71 Prozent erreichte.
Obwohl die erfolgreiche Steuerung eines verteilten Systems für die Quanteninformatik einen großen Fortschritt darstellt, betont das Team erneut, dass die technischen Herausforderungen weiterhin gewaltig seien. Die Einbindung von Quantenprozessoren in ein verteiltes Netzwerk mittels Quantenteleportation bietet jedoch einen kleinen Lichtschimmer am Ende des langen, dunklen Tunnels der Entwicklung des Quantencomputers.
„Die Skalierung von Quantencomputern bleibt eine anspruchsvolle technische Herausforderung, die in den kommenden Jahren wahrscheinlich neue physikalische Erkenntnisse sowie intensive Ingenieursleistungen erfordern wird“, sagte David Lucas, der leitende Forscher der Studie von der Universität Oxford, in einer Pressemitteilung. „Unser Experiment zeigt, dass verteilte Quanteninformationsverarbeitung mit modernen Technologien möglich ist.“
Damit Quantencomputer ihr volles Potenzial entfalten können, müssen sie robuster werden – also in der Lage sein, Fehler zu reduzieren und Dekohärenz zu vermeiden. Wie in einer neuen Studie chinesischer und amerikanischer Wissenschaftler beschrieben, gelang es dem Team, die intrinsische Stabilität eines topologischen Zeitkristalls in einen Quantencomputer einzuführen, der daraufhin Anzeichen einer erhöhten Zuverlässigkeit zeigte.
Auch wenn wir noch auf eine breitere Nutzung in Quantencomputern warten müssen, zeigt diese Studie, dass Quantenzeitkristallsysteme vielversprechend für die Zukunft des Quantencomputings sind.
Quantencomputer scheinen – ebenso wie die Kernfusion oder Supraleiter bei Raumtemperatur – immer noch weit davon entfernt zu sein, tiefgreifende Auswirkungen auf das menschliche Leben zu haben. Und obwohl dieser langsame Fortschritt frustrierend erscheinen mag, gibt es einen Grund, warum diese Konzepte weltweit weiterhin unermüdlich verfolgt werden. Ein Supraleiter bei Raumtemperatur wird das Stromnetz revolutionieren, die Kernfusion wird die Energie der Sonne zur Erde bringen und Quantencomputer können Probleme lösen (selbst extrem komplexe wie den Klimawandel), die wir mit klassischen Computern allein niemals lösen könnten.
Doch wie bei der Fusion und der Supraleitung sind auch bei der Verwirklichung dieses Traums vom Quantencomputer mehrere Herausforderungen zu bewältigen. Und das Hauptproblem ist die mangelnde Stabilität. Aufgrund der komplexen Wissenschaft, die hinter Quantencomputern steht, sind diese Maschinen unglaublich anfällig für Rauschen und Fehler, die letztendlich zur Dekohärenz führen – dem Ende des Quantenüberlagerungszustands, der Qubits so nützlich macht.
Ein Zeitkristall ist ein exotischer Materiezustand, der die Starrheit eines normalen Kristalls mit einem regelmäßigen Zeitrhythmus kombiniert. Popular Mechanics Magazin
Um die Stabilität zu verbessern, nutzte eine Gruppe von Wissenschaftlern aus den USA und China die innere Stabilität eines anderen Quantensystems, das als Zeitkristall bekannt ist. Indem sie einen Quantencomputer effektiv in einen Zeitkristall verwandelten, konnten Forscher topologische Zeitkristalle erzeugen, die länger halten können als erwartet. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Zeitkristalle sind nicht nur ein toller Name für ein Handlungselement in einem B-Movie-Science-Fiction-Film, sie scheinen auch unser herkömmliches Verständnis von Physik herauszufordern. Zeitkristalle wurden erstmals 2012 vom Physiker Frank Wilczek entdeckt (eine Entdeckung, für die er einen Nobelpreis erhielt). Sie verhalten sich wie Standardkristallstrukturen, allerdings in der Zeit. Während sich die Atomstruktur eines gewöhnlichen Kristalls (etwa eines Diamanten) wiederholt, wiederholt sich ein Zeitkristall nicht in der physikalischen, sondern in der zeitlichen Dimension. Dies ist ein solches Konzept, weil Zeitkristalle den berühmten zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu umgehen scheinen.
Der Schwerpunkt dieser Studie liegt auf topologischen Zeitkristallen. Das Verhalten eines topologischen Zeitkristalls wird durch die Gesamtstruktur und nicht nur durch ein einzelnes Atom oder eine Wechselwirkung bestimmt. Wie ZME Science beschreibt, ist ein topologischer Zeitkristall das gesamte Netz, wenn normale Zeitkristalle ein Faden in einem Netz sind, und selbst die Änderung eines einzigen Fadens kann Auswirkungen auf das gesamte Netz haben. Dieses „Netz“ aus Verbindungen ist kein Fehler, sondern eine Eigenschaft, denn es macht den topologischen Kristall widerstandsfähiger gegen Störungen – etwas, das Quantencomputer durchaus ausnutzen könnten.
In diesem Experiment haben die Wissenschaftler dieses Verhalten im Wesentlichen in einen Quantencomputer eingebettet und dadurch eine Präzision erreicht, die frühere Quantenexperimente übertraf. Und obwohl all dies in einem vorthermischen Regime geschah, ist es laut ZME Science immer noch ein großer Schritt vorwärts auf dem Weg zur potenziellen Entwicklung eines stabileren Quantencomputers, der uns endlich die Zukunft eröffnen könnte, die immer noch ein Jahrzehnt entfernt scheint.
Anfang 2017 begannen Wissenschaftler mit der Untersuchung einer neuen Art von Materie: Zeitkristalle. Kristalle sind Strukturen, in denen sich das Muster der Atome oder Moleküle im Raum wiederholt. Zwei Forschergruppen haben entdeckt, dass sich wiederholende Muster in Kristallen über die Zeit hinweg erhalten bleiben können. Diese „Zeitkristalle“, die in einem neuen Artikel im Physical Review Letter beschrieben werden, stellen eine völlig neue Art von Materie dar, die niemals ein Gleichgewicht erreichen kann.
Um Zeitkristalle zu erzeugen, reihten Forscher der University of Maryland zehn Ytterbiumatome aneinander und beschossen sie wiederholt mit zwei Lasern, um sie aus dem Gleichgewicht zu bringen. Obwohl die Atome eine bestimmte Anordnung hatten, kam es nicht dazu, dass sich ein Gleichgewicht einstellte, das heißt, die Kristalle sind ständig in Bewegung, obwohl sie keinerlei Energie enthalten. Fast die gesamte Physik basiert auf dem Studium von Materie im Gleichgewicht. Daher ist die Fähigkeit, diese Nichtgleichgewichtskristalle zu erzeugen, für die Zukunft der Physik von großer Bedeutung.
Physiker der University of Maryland haben den ersten Kristall mithilfe einer eindimensionalen Kette von Ytterbiumionen geschaffen. Popular Mechanics Magazin
„Es handelt sich um eine neue Phase der Materie, Punkt, aber es ist auch wirklich cool, weil es eines der ersten Beispiele für Materie im Nichtgleichgewicht ist“, sagte er gegenüber EurekaAlert! leitender Forscher Norman Yao von der University of California, Berkeley.
Die Idee von Zeitkristallen – einer Form von Materie, die sich sogar in ihrem energiefreien Grundzustand zu bewegen scheint – wurde erstmals 2012 vom Nobelpreisträger und theoretischen Physiker Frank Wilczek vorgeschlagen. Normalerweise sollte Bewegung von Materie im Grundzustand unmöglich sein, da sie keine Energie enthält.
Forscher sagen, dass Zeitkristalle Gelee ähneln. Wenn man auf die Geleemasse klopft, wackelt sie. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Kristalle ohne Energieaufwand und ohne Berührung schütteln. Zeitkristalle können per Definition niemals aufhören zu schwingen, egal wie wenig Energie sie enthalten.
Im Jahr 2020 haben Wissenschaftler zum ersten Mal in der Geschichte die Interaktion von Zeitkristallen aufgezeichnet. Zeitkristalle sind eine völlig neue Form von Materie, in der sich Teilchen ewig bewegen und keine Energie verlieren. Die wechselwirkenden Zeitkristalle gaben Magnonen hin und her weiter und blieben stabil.
Zum ersten Mal haben Wissenschaftler die Interaktion einer seltenen und mysteriösen Form von Materie namens Zeitkristalle beobachtet. Auf den ersten Blick sehen die Kristalle wie „gewöhnliche“ Kristalle aus, doch sie haben eine Verbindung zur Zeit, die die Wissenschaftler aufgrund ihrer Unberechenbarkeit sowohl fasziniert als auch verwirrt. Nun sagen Experten, dass sie Anwendung in der Quanteninformatik finden könnten.
Erst in den 2010er Jahren begannen Wissenschaftler, Theorien über die Existenz von Zeitkristallen aufzustellen, die einen Materiezustand darstellen, der der sogenannten Rubin-Schokolade entspricht. Bis 2015 hatten die Forscher Möglichkeiten aufgezeigt, wie Zeitkristalle, eine allgemein als „Nichtgleichgewichtsform der Materie“ bezeichnete Form, existieren könnten: „Das Team untersuchte, was passiert, wenn bestimmte isolierte Quantensysteme, die aus einer Mischung wechselwirkender Teilchen bestehen, wiederholt einem Laser ausgesetzt werden.“ Im Gegensatz zur konventionellen Physik, die besagt, dass Chaos ausbricht, sobald sich Systeme erhitzen, zeigten die Berechnungen des Princeton-Teams, dass unter bestimmten Bedingungen Partikel aneinander haften und eine Materiephase mit bisher unbekannten Eigenschaften bilden würden.“
Nun, so sagen die Forscher, haben sie zwei Zeitkristalle zusammengeschlagen, um zu sehen, was als nächstes passiert. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass Zeitkristalle der allgemeinen Dynamik der Quantenmechanik gehorchen und bieten eine Grundlage für die weitere Untersuchung der grundlegenden Eigenschaften dieser Phasen, was den Weg für mögliche Anwendungen in aufstrebenden Bereichen wie der Quanteninformationsverarbeitung ebnet“, erklären sie in dem neuen Artikel.
Labor. Aalto-Universität/Mikko Raskinen
In ihren Experimenten platzierten sie zwei Zeitkristalle mit Supraflüssigkeit und gemischten Magnonen dazwischen. Bei Magnonen handelt es sich um magnetische Quasiteilchen, was in diesem Fall zu „gegenphasigen Schwingungen“ führte, während die Kristalle selbst phasenstabil blieben. Das Coole (und im wahrsten Sinne des Wortes supercoole) ist, dass sich Materie trotz der zentralen Eigenschaft wilder Fluktuationsmuster im Laufe der Zeit auf vorhersehbare quantenmechanische Weise verhält.
„Niemand hat jemals zuvor zwei Zeitkristalle im selben System beobachtet, geschweige denn ihre Interaktion gesehen“, sagte der Hauptautor Samuli Auti von der Lancaster University in einer Erklärung. „Kontrollierte Interaktionen stehen ganz oben auf der Wunschliste aller, die einen Zeitkristall für praktische Anwendungen wie die Quanteninformationsverarbeitung nutzen möchten.“
Ohne diese entscheidende Entdeckung wäre man vermutlich nie auf die Idee gekommen, dass ein Zeitkristall Teil eines konstruierten Systems sein könnte.
Was ist diese seltsame Schwingung, die diese Kristalle auszeichnet? Es gibt eine interne Bewegung, die eines der grundlegenden Gesetze der Physik zu verletzen scheint: nämlich, dass bewegte Teilchen in Bewegung bleiben und scheinbar nie Energie verlieren. Woher kommt die anfängliche Energie und warum wird sie nie abgeführt? In gewissem Sinne wird die Frage durch die Untersuchung der Wechselwirkung von Kristallen noch mysteriöser, da dadurch einige Parameter eingegrenzt werden. Kristalle verhalten sich in diesen bestimmten anderen Bereichen normal, und das bedeutet, dass die Energiequelle oder das Phänomen, was auch immer es ist, als Ganzes erhalten bleibt.
Anfang 2024 bauten Wissenschaftler einen Zeitkristall, der 40 Minuten hielt. Zeitkristalle sind ein relativ neues Gebiet der Physik und weisen bemerkenswerte Eigenschaften auf: Sie ordnen sich wie Kristalle in sich wiederholenden Mustern an, allerdings in der Zeit und nicht im Raum.
Obwohl Wissenschaftler viele diskrete Zeitkristalle geschaffen haben, ist es nur einer Gruppe gelungen, einen kontinuierlichen Zeitkristall zu erzeugen, und dies auch nur für wenige Millisekunden.
Nun haben Wissenschaftler der Technischen Universität Dortmund ein Modell entwickelt, das 10 Millionen Mal länger funktionierte – etwa 40 Minuten.
Während die Atome gewöhnlicher, alltäglicher Kristalle in einem sich wiederholenden Muster im Raum angeordnet sind, sind Zeitkristalle zusätzlich in einem sich wiederholenden Muster in der Zeit angeordnet – im Wesentlichen handelt es sich dabei um Kristalle, die in einer Dimension jenseits unserer typischen dreidimensionalen Wahrnehmung existieren. „Auf diese Weise kann man das Beste aus beidem haben“, sagte der US-amerikanische Nobelpreisträger Frank Wilczek, der 2012 erstmals die Zeitkristalle erfand.
Zeitkristalle werden auf die gleiche Weise erzeugt wie viele andere Dinge in der fortgeschrittenen Physik – mithilfe unterkühlter Atome (d. h. Bose-Einstein-Kondensate) und Lasern. Obwohl dieser aufregende neue Zustand der Materie in der Welt der Quantencomputer revolutionäre Anwendungsmöglichkeiten haben könnte, dürften diese nicht lange anhalten. So beobachteten Wissenschaftler der Universität Hamburg im Jahr 2022 einen kontinuierlichen Zeitkristall, der allerdings nur wenige Millisekunden dauerte.
Nun haben Forscher der Technischen Universität Dortmund einen kontinuierlichen Zeitkristall geschaffen, der 10 Millionen Mal länger hält, nämlich etwa 40 Minuten. Um Wilczeks eigene Worte zu verwenden: Das ist eine Menge.
Um diesen Zeitkristall herzustellen, erzeugten der TU Dortmunder Physiker Alex Greulich und sein Team einen Kristall aus mit Silizium (auch bekannt als Halbleiter) dotiertem Indium-Gallium-Arsenid. In diesem Kristall fungieren die Kernspins als „Reservoir für einen Zeitkristall“, heißt es in einer Pressemitteilung der Universität. Nach dem Abkühlen auf 6 Kelvin und der Bestrahlung mit einem Laser entsteht durch die Wechselwirkung des Lasers mit schwach gehaltenen Elektronen ein Kernspin.
Durch die Polarisation der Kernspins entstehen dann Schwingungen, die an einen Zeitkristall erinnern. Und das Erstaunliche dabei ist, dass diese wiederholten Schwingungen volle 40 Minuten anhielten – eine Größenordnung länger als bei jedem zuvor existierenden kontinuierlichen Zeitkristall. Die Ergebnisse dieser Studie wurden Ende Januar 2024 in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.
Während 40 Minuten bereits eine Leistung darstellen, ist dies möglicherweise nur der Anfang der Frage, wie lange solche Kristalle halten können. Laut ScienceAlert zeigte dieser Kristall nach 40 Minuten keine Anzeichen von Zerfall, was bedeutet, dass zukünftige Zeitkristalle Stunden oder sogar länger überdauern könnten.
Können uns diese Kristalle helfen, durch die Zeit zu reisen? Um ein Gefühl für Zeitkristalle zu bekommen, denken Sie an Schneeflocken oder Rubine – Kristalle, die die räumliche Symmetrie auf reizvolle Weise verzerren. Im Gegensatz zum vollkommen symmetrischen leeren Raum weisen diese Raumkristalle Stellen auf, die sich optisch von anderen Stellen unterscheiden, beispielsweise an ihren Kanten. In gleicher Weise verletzt der Zeitkristall die Symmetrie der Zeit: Seine Atome befinden sich zu unterschiedlichen Zeitpunkten gerne an unterschiedlichen Punkten im Raum und ändern dabei ihre Richtung, als würden sie von einer pulsierenden Kraft umgewälzt, heißt es in der Publikation Popular Mechanics.
Darüber hinaus können sich Zeitkristalle bewegen, ohne Energie aufzunehmen, da sie aus gefangenen Ionen bestehen – Gemischen aus elektrischen oder magnetischen Feldern, die geladene Teilchen normalerweise in einem von der Außenwelt isolierten System gefangen halten können und ihnen die Fähigkeit verleihen, selbst an ihrem niedrigsten Energiepunkt (dem so genannten Grundzustand) unaufhaltsam zu rotieren.
Vladimir Yeltsov, ein angewandter Physiker an der Aalto-Universität in Finnland, der zusammen mit Professor Grigory Volovik und dem Doktoranden Samuli Auti im Mai 2018 einen Zeitquasikristall in einen vollwertigen und supraflüssigen Zeitkristall verwandelte, bewundert die Vorzüge von Zeitkristallen – auch wenn er (noch) nicht an ihre Fähigkeit glaubt, uns alle in angehende Doc Browns zu verwandeln.
Professor Grigory Volovik (links) und Vladimir Yeltsov (rechts) diskutieren Zeitkristalle. Sie haben lediglich das Zeitkristallsignal gemessen (sichtbar auf dem Computerbildschirm hinter Jelzows Hand). Popular Mechanics Magazin
Stattdessen denkt Elstow lieber darüber nach, wie Zeitkristalle uns technologisch weiterbringen könnten. Zeitkristalle könnten uns beispielsweise dabei helfen, hochempfindliche Magnetfelddetektoren oder Komponenten für Quantencomputer zu entwickeln. Und Elstows Vertrauen in diese faszinierenden Strukturen ist so groß, dass er überzeugt ist, sie könnten unser Verbündeter bei der Lösung der theoretischsten und anspruchsvollsten Probleme im Zusammenhang mit den fundamentalen Gesetzen des Universums werden.
Im Jahr 2012 schlug der theoretische Physiker und Nobelpreisträger des MIT, Frank Wilczek, erstmals vor, dass die Periodizität (die Eigenschaft, in geordneten Abständen im Raum aufzutreten) von Kristallen ebenfalls eine Frage der Zeit sei. Wilczek stellte sich das System in seinem niedrigsten Energiezustand vor, so dass es wie ein gewöhnlicher Kristall im Weltraum gefrieren könnte. Doch in einem hitzigen Moment bezeichneten Patrick Bruno von der European Synchrotron Radiation Facility im französischen Grenoble und wenige Augenblicke später auch Haruki Watanabe von der University of California in Berkeley und Masaki Oshikawa von der Universität Tokio Wilczeks Vorschlag als nicht durchführbar.
Siehe auch... Neue Methode zur Beobachtung einzelner Atome bestätigt jahrhundertealte quantenmechanische Theorie |
„Wo auf der Erde kann ein System in seinem Grundzustand überhaupt die Energie finden, um eine periodische Bewegung zu erzeugen?“ – bellten sie. Nur in einem System, dessen Gleichgewichtszustand – sein stationärer Zustand – durch eine treibende Kraft gestört wurde, könne ein periodisches Kristallverhalten erreicht werden, sagten Watanabe und Oshikawa. Das ist alles. Die wissenschaftliche Gemeinschaft ließ das Konzept der „Floquet-Systeme“ oder Quantensysteme, in denen eine Art Antriebskraft dem System Periodizität verleiht, schnell wieder aufleben (ursprünglich im 19. Jahrhundert vom Mathematiker Gaston Floquet verstanden und mathematisch berechnet).
Im Jahr 2015 veröffentlichten der theoretische Physiker Shivaji Sondhi und seine Kollegen an der Princeton University eine Arbeit, in der sie die theoretischen Grundlagen dafür darlegten, wie Zeitkristalle tatsächlich existieren könnten. „Zu diesem Zeitpunkt hatten wir nicht speziell Zeitkristalle im Sinn, sondern eher Nichtgleichgewichtszustände der Materie“, sagt Vedika Khemani, damals Mitglied des Pionierteams in Princeton und heute Festkörperphysikerin an der Stanford University. Das Team untersuchte, was passiert, wenn bestimmte isolierte Quantensysteme, die aus einer Mischung wechselwirkender Teilchen bestehen, wiederholt einem Laser ausgesetzt werden.
Stellen Sie sich ein Pendel vor. Ein normales Pendel, das nicht von einer Batterie oder einem anderen Generator angetrieben wird, erliegt irgendwann der Reibung und wird langsamer. Sogar bei einem „idealisierten“ Pendel in einer reibungslosen Umgebung – einem Vakuum – erzeugen die Wechselwirkungen zwischen den vielen Teilchen, aus denen das Pendel besteht, innere Spannungen und führen wiederum dazu, dass das Pendel träge wird. Ein noch idealisierteres Pendel, das aus nur einem Teilchen besteht, könnte sich für immer hin und her bewegen, es wäre jedoch kein einzigartiger Zeitkristall. Im Gegensatz dazu handelte es sich beim Pendel des Princeton-Teams um ein Pendel, bei dem viele Teilchen für immer weiter pulsieren konnten, ohne dass eine konstante Energiezufuhr erforderlich war. Es war ein völlig neuer Materiezustand.
Bald begannen zwei Gruppen von Experimentatoren mit dem Bau von Zeitkristallen im Labor. Der erste von der Harvard University (wo Hemani auch Fellow war) experimentierte mit der Schaffung eines künstlichen Gitters aus synthetischem Diamant. Das zweite von der University of Maryland verwendete eine Kette geladener Teilchen, sogenannte „Ytterbiumionen“.
Renommierte Universitäten wie Princeton, Harvard und die University of California in Berkeley sind nicht die einzigen Institutionen, die sich leidenschaftlich mit der Zeitkristallforschung beschäftigen. Sogar die US-Armee hat erhebliche Mittel in die Aufklärung der geheimnisvollen Eigenschaften dieser konzeptionell erstaunlichen Strukturen gesteckt.
Wenn die Forschung zu Zeitkristallen also keine Anzeichen einer Erschöpfung zeigt, könnten sie vielleicht doch Zeitreisen ermöglichen?
„Nein“, sagt Khemani unverblümt. „Das ist eine völlig neue Phase der Materie, die wirklich besonders, wirklich exotisch ist. Aber das ist alles.“ Und ihre Ansicht wird von allen Wissenschaftlern, die wir interviewten, einstimmig geteilt, darunter auch von Steven Haller, einem Physiker an der Fordham University, der mit Kristallen in optischen Systemen experimentiert.
„Zeitkristalle könnten stattdessen als Quantenspeicher verwendet werden“, sagt Holler. Die Quantenkommunikation, also die Übertragung von Informationen mithilfe von Quantenbits, könnte uns eine sehr sichere Möglichkeit bieten, Informationen von einem Ort zum anderen zu übertragen, was etwa für den Bankensektor oder die nationale Sicherheit sehr nützlich sein könnte. Es scheint, dass die extreme Stärke von Zeitkristallen unter Bedingungen, die sonst nicht möglich wären, auch das Geheimnis für die Konsistenz in der Quanteninformatik sein könnte, stimmt Jelzow zu.
Allerdings müssen wir noch mindestens fünf Jahre warten, bis Quantenkommunikationssysteme auf den Markt kommen und beginnen, in unsere kommerziellen Systeme einzudringen , sagt Holler. Unterdessen bleiben Wissenschaftler wie Hemani gegenüber der gesamten Diskussion um die Quantenkommunikation vorsichtig.
Aber ist es wirklich so falsch – und jenseits des Bereichs wissenschaftlicher Möglichkeiten –, dass wir die Zeit immer noch auf andere Weise als durch Zeitkristalle krümmen wollen?
Die gute Nachricht: „Zeitreisen lassen sich nicht grundsätzlich ausschließen“, sagt Jelzow.
Nun die etwas enttäuschende Nachricht: „Aber um das zu verstehen, wären enorme Energiedichten erforderlich, die wir weder jetzt noch in absehbarer Zukunft im Labor erreichen können.“
Denken Sie an den Large Hadron Collider (LHC) am CERN, der Europäischen Organisation für Kernforschung. Der LHC, der größte und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt, wiegt mehr als 38.000 Tonnen, verläuft 27 Kilometer durch einen unterirdischen Tunnel, wobei die Teilchen von gigantischen supraleitenden Magneten gelenkt werden, die mit 11.000 Umdrehungen pro Sekunde um ihn herum rotieren, und kostet etwa 4,8 Milliarden Dollar. Es ist wirklich, wirklich groß – und wir benötigen noch Größenordnungen, um überhaupt mit der Betrachtung von Zeitreisen beginnen zu können, sagt Holler. Wir sind einfach nicht bereit.
„Mit der derzeitigen Technologie ist das völlig undurchführbar“, sagt Kurt von Keyserlingk, ein theoretischer Physiker an der Universität Birmingham, der 2016 zusammen mit Khemani und Szondi weitere theoretische Arbeiten zu Zeitkristallen durchgeführt hat. „Das heißt aber nicht, dass es unmöglich ist“, fügt er schnell hinzu und fordert uns auf, einen Blick auf die Arbeit des Physikers Kip S. Thorne zu werfen.
2017 erhielt Thorne zusammen mit Rainer Weiss und Barry K. Barish den Nobelpreis für Physik für die erstmalige Entdeckung einer Gravitationswelle. Thorne ist in der erbitterten Welt der Physik vor allem als Schöpfer Science-Fiction-freundlicher Ideen bekannt. Er war es, der dem Kosmologen und Autor Carl Sagan riet, ein hypothetisches, durchquerbares Wurmloch zu verwenden, das zwei Zeiträume verbindet, um Jodie Foster in „Contact“, dem 1997 erschienenen Film, der auf Sagans Roman von 1985 basiert, durch das Universum zu transportieren. Er beteiligte sich außerdem an der Schaffung des Schwarzen Lochs für Interstellar und meinte, Wurmlöcher könnten für Reisen im Raum und in der Zeit genutzt werden.
Eine Studentin der Fordham University (Jeda Mackayla Mendoza) stellt in einem Labor einen Laser ein. „In diesem Bild gibt es keine Kristalle (der Zeit oder so etwas), und wir verwenden Kristalle nur als Mittel, um die Wellenlänge der Lichtquelle zu ändern, aber Laser sind immer kalt“, sagt Stephen Holler, ein Physiker bei Fordham. Popular Mechanics Magazin
Thorne hat Erklärungen für mehrere logische Rätsel im Zusammenhang mit Zeitreisen angeboten, darunter das Paradoxon, durch ein Wurmloch in der Zeit zurückzureisen und dabei versehentlich seinen Großvater und damit auch sich selbst zu töten. (Wie können Sie existieren, wenn Ihr Vater nicht existiert, weil das für seine Zeugung verantwortliche Spermium zerstört wurde… von Ihnen?) Im Jahr 1991 stellte Thorne einige Berechnungen an und fand heraus, dass derartige Paradoxe nicht auftreten können, sondern durch eine unendliche Zahl anderer möglicher Ergebnisse ersetzt werden. (Sie können in der Zeit zurückgehen und Ihren Großvater so oft ärgern, wie Sie wollen, aber Sie können ihn auf keinen Fall töten, denn sonst würden Sie nicht existieren, um ihn zu töten.)
Dann gibt es noch die Viele-Welten-Hypothese, die einige der Implikationen lösen könnte, die sich ergeben, wenn man in der Zeit zurückgeht und die Zukunft verändert. Diese Hypothese geht davon aus, dass wir in einer nahezu unendlichen Zahl von Universen leben, die zwar dieselben physikalischen Gesetze und Werte haben, sich jedoch in unterschiedlichen Zuständen befinden und so organisiert sind, dass zwischen ihnen keine Informationen übertragen werden können. Im Wesentlichen spaltet sich das Universum mit jeder Entscheidung, die wir treffen, in mehrere Realitäten auf, und wir sind uns der alternativen Szenarien, die unsere exakten Kopien in anderen Universen erleben, überhaupt nicht bewusst.
„Um die schwierigsten Probleme der Physik zu lösen, müssen wir viele unserer Vorurteile aufgeben … Zeitreisen würden uns der Multiversum-Theorie zufolge in eines dieser anderen Universen führen, es wäre für uns also nicht unbedingt ein gerader linearer Weg hin und zurück, sondern ein Übergang zwischen Universen“, sagt Holler. „Ich glaube nicht völlig daran, aber es arbeiten viele kluge Leute daran und sie scheinen zu glauben, dass es sehr, sehr machbar ist“, fährt er fort.
Für die unglaublich attraktive Multiversum-Theorie gebe es jedoch keinen Beweis in Form verlässlicher Berechnungen, sagt von Keyserlingk. Das Problem bei der Viele-Welten-Interpretation und bei Zeitreisen liegt für ihn nicht darin, dass sie zwangsläufig Fiktion sind, sondern dass uns gegenwärtig möglicherweise die mathematischen Werkzeuge und sogar die philosophischen Ideen fehlen, um diese Dinge zu diskutieren. Sie seien das theoretische Ende der Physik, sagt er: Dinge, über die wir nur spekulieren können, während Wissenschaft bestenfalls bloß „fundierte Vermutungen“ seien.
„Manchmal kann es passieren, dass die Natur uns vor Fragen stellt, die noch niemand zuvor gelöst hat“, sagt von Keyserlingk. „Eines der Probleme besteht darin, dass wir eine ziemlich feste Vorstellung davon haben, was Raum und Zeit sind. Um die schwierigsten Probleme der Physik zu lösen, müssen wir viele unserer vorgefassten Meinungen loslassen.“
Siehe auch... Vollständige Liste der HTML/Javascript-Ereignishandler mit Beispielen Liste der erforderlichen Dokumente für eine Website in der Russischen Föderation |
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