Diese verteilte Architektur \u00e4hnelt der allgemeinen Struktur klassischer Supercomputer, doch dank Qubits kann das System Probleme in wenigen Stunden l\u00f6sen, f\u00fcr deren L\u00f6sung herk\u00f6mmliche Supercomputer Jahre ben\u00f6tigen w\u00fcrden.<\/p>\n
Die langfristigen Aussichten f\u00fcr zuverl\u00e4ssige Quantencomputer k\u00f6nnen kaum \u00fcbersch\u00e4tzt werden. Ihr Potenzial, Krankheiten zu heilen, dringend ben\u00f6tigte bahnbrechende Neuerungen in der Materialforschung herbeizuf\u00fchren und sogar gro\u00dfe Probleme wie den Klimawandel zu l\u00f6sen, ist kein technologisches Geschw\u00e4tz, sondern eine echte M\u00f6glichkeit. Aufgrund dieser Aussicht investieren Unternehmen und Regierungen jedes Jahr Milliarden, um das Potenzial des Qubit-basierten Computings auszusch\u00f6pfen. Zwischen der Gegenwart und diesem fernen Traum stehen jedoch noch immer erhebliche Hindernisse, und die Skalierbarkeit bleibt Feind Nummer eins.<\/p>\n
Einfach ausgedr\u00fcckt: Qubits reagieren unglaublich empfindlich auf ihre Umgebung und erfordern eine \u00e4u\u00dferst pr\u00e4zise Steuerung. Diese Probleme werden noch gr\u00f6\u00dfer, je mehr Qubits zum System hinzugef\u00fcgt werden, und letztendlich f\u00fchren Verletzungen der Pr\u00e4zision der Quanteninformatik \u2013 auch als \u201eRauschen\u201c bekannt \u2013 zu kaskadierenden Fehlern. Aus diesem Grund wird das aktuelle Zeitalter des Quantencomputings allgemein als das Zeitalter des \u201eNoisy Intermediate-Scale Quantum Computing (NISQ)\u201c bezeichnet. Diese Quantenprozessoren enthalten maximal 1000 Qubits und sind nicht fehlertolerant genug, um das volle Potenzial des Quantencomputings auszusch\u00f6pfen.<\/p>\n
Nat\u00fcrlich verf\u00fcgen Wissenschaftler \u00fcber mehrere Methoden, um Quantencomputer weniger fehleranf\u00e4llig zu machen, darunter eine robuste Fehlerkorrektur und fehlertolerantes Rechnen. Und vor Kurzem ist Wissenschaftlern der Universit\u00e4t Oxford ein entscheidender Durchbruch bei der Erh\u00f6hung der Anzahl der Qubits in einem Quantensystem gelungen. Die Idee ist einfach: Anstatt mehr Qubits in ein einziges System zu packen, k\u00f6nnten kleinere Quantenprozessoren ein verteiltes Netzwerk bilden. Theoretisch k\u00f6nnte dies es Wissenschaftlern erm\u00f6glichen, die Anzahl der Qubits zu skalieren und gleichzeitig den Rauschpegel niedrig zu halten.<\/p>\n In einem neuen Artikel, der in der Zeitschrift Nature ver\u00f6ffentlicht wurde, beschreiben die Wissenschaftler detailliert, wie sie Module mit nur einer kleinen Anzahl gefangener Ionen-Qubits mithilfe von Glasfasern zur \u00dcbertragung von Photonen verbunden haben. Diese photonischen Verbindungen erm\u00f6glichten dann die Verschr\u00e4nkung von Qubits \u00fcber Glasfasern, wodurch Quantenlogik mittels Quantenteleportation m\u00f6glich wurde.<\/p>\n \u201eFr\u00fchere Demonstrationen der Quantenteleportation konzentrierten sich auf die \u00dcbertragung von Quantenzust\u00e4nden zwischen physikalisch getrennten Systemen\u201c, sagte Dougal Main, Hauptautor der Studie von der Universit\u00e4t Oxford, in einer Pressemitteilung. \u201eIn unserer Forschung nutzen wir Quantenteleportation, um Interaktionen zwischen diesen entfernten Systemen herzustellen. Durch sorgf\u00e4ltige Abstimmung dieser Interaktionen k\u00f6nnen wir Quantenlogikgatter \u2013 die grundlegenden Operationen der Quanteninformatik \u2013 zwischen Qubits ausf\u00fchren, die in separaten Quantencomputern untergebracht sind. Dieser Durchbruch erm\u00f6glicht es uns, einzelne Quantenprozessoren effektiv zu einem einzigen, vollst\u00e4ndig vernetzten Quantencomputer zu \u201everkn\u00fcpfen\u201c.<\/p>\n Um dieses neue System zu testen, f\u00fchrte das Team den sogenannten Grover-Suchalgorithmus aus, der erstmals 1996 vom indisch-amerikanischen Informatiker Lov Grover beschrieben wurde. Bei dieser Suche wird in einem gro\u00dfen unstrukturierten Datensatz nach einem bestimmten Element gesucht, wobei \u00dcberlagerung und Verschleierung parallel eingesetzt werden. Der Suchalgorithmus weist au\u00dferdem eine quadratische Beschleunigung auf, was bedeutet, dass der Quantencomputer das Problem mit der Quadratwurzel der Eingabedaten l\u00f6sen kann, anstatt nur mit einer linearen Erh\u00f6hung. Die Autoren berichten, dass das System eine Erfolgsquote von 71 Prozent erreichte.<\/p>\n Obwohl die erfolgreiche Steuerung eines verteilten Systems f\u00fcr die Quanteninformatik einen gro\u00dfen 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.<\/p>\n \u201eDie Skalierung von Quantencomputern bleibt eine anspruchsvolle technische Herausforderung, die in den kommenden Jahren wahrscheinlich neue physikalische Erkenntnisse sowie intensive Ingenieursleistungen erfordern wird\u201c, sagte David Lucas, der leitende Forscher der Studie von der Universit\u00e4t Oxford, in einer Pressemitteilung. \u201eUnser Experiment zeigt, dass verteilte Quanteninformationsverarbeitung mit modernen Technologien m\u00f6glich ist.\u201c<\/p>\n Damit Quantencomputer ihr volles Potenzial entfalten k\u00f6nnen, m\u00fcssen sie robuster werden \u2013 also in der Lage sein, Fehler zu reduzieren und Dekoh\u00e4renz zu vermeiden.<\/strong><\/span>\u00a0Wie in einer neuen Studie chinesischer und amerikanischer Wissenschaftler beschrieben, gelang es dem Team, die intrinsische Stabilit\u00e4t eines topologischen Zeitkristalls in einen Quantencomputer einzuf\u00fchren, der daraufhin Anzeichen einer erh\u00f6hten Zuverl\u00e4ssigkeit zeigte.<\/p>\n Auch wenn wir noch auf eine breitere Nutzung in Quantencomputern warten m\u00fcssen, zeigt diese Studie, dass Quantenzeitkristallsysteme vielversprechend f\u00fcr die Zukunft des Quantencomputings sind.<\/p>\n Quantencomputer scheinen \u2013 ebenso wie die Kernfusion oder Supraleiter bei Raumtemperatur \u2013 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 unerm\u00fcdlich verfolgt werden. Ein Supraleiter bei Raumtemperatur wird das Stromnetz revolutionieren, die Kernfusion wird die Energie der Sonne zur Erde bringen und Quantencomputer k\u00f6nnen Probleme l\u00f6sen (selbst extrem komplexe wie den Klimawandel), die wir mit klassischen Computern allein niemals l\u00f6sen k\u00f6nnten.<\/p>\n Doch wie bei der Fusion und der Supraleitung sind auch bei der Verwirklichung dieses Traums vom Quantencomputer mehrere Herausforderungen zu bew\u00e4ltigen. Und das Hauptproblem ist die mangelnde Stabilit\u00e4t. Aufgrund der komplexen Wissenschaft, die hinter Quantencomputern steht, sind diese Maschinen unglaublich anf\u00e4llig f\u00fcr Rauschen und Fehler, die letztendlich zur Dekoh\u00e4renz f\u00fchren \u2013 dem Ende des Quanten\u00fcberlagerungszustands, der Qubits so n\u00fctzlich macht.<\/p>\n Um die Stabilit\u00e4t zu verbessern, nutzte eine Gruppe von Wissenschaftlern aus den USA und China die innere Stabilit\u00e4t eines anderen Quantensystems, das als Zeitkristall bekannt ist. Indem sie einen Quantencomputer effektiv in einen Zeitkristall verwandelten, konnten Forscher topologische Zeitkristalle erzeugen, die l\u00e4nger halten k\u00f6nnen als erwartet. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications ver\u00f6ffentlicht.<\/p>\n Zeitkristalle sind nicht nur ein toller Name f\u00fcr ein Handlungselement in einem B-Movie-Science-Fiction-Film, sie scheinen auch unser herk\u00f6mmliches Verst\u00e4ndnis von Physik herauszufordern. Zeitkristalle wurden erstmals 2012 vom Physiker Frank Wilczek entdeckt (eine Entdeckung, f\u00fcr die er einen Nobelpreis erhielt). Sie verhalten sich wie Standardkristallstrukturen, allerdings in der Zeit. W\u00e4hrend sich die Atomstruktur eines gew\u00f6hnlichen 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 ber\u00fchmten zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu umgehen scheinen.<\/p>\n 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 \u00c4nderung eines einzigen Fadens kann Auswirkungen auf das gesamte Netz haben. Dieses \u201eNetz\u201c aus Verbindungen ist kein Fehler, sondern eine Eigenschaft, denn es macht den topologischen Kristall widerstandsf\u00e4higer gegen St\u00f6rungen \u2013 etwas, das Quantencomputer durchaus ausnutzen k\u00f6nnten.<\/p>\n In diesem Experiment haben die Wissenschaftler dieses Verhalten im Wesentlichen in einen Quantencomputer eingebettet und dadurch eine Pr\u00e4zision erreicht, die fr\u00fchere Quantenexperimente \u00fcbertraf. Und obwohl all dies in einem vorthermischen Regime geschah, ist es laut ZME Science immer noch ein gro\u00dfer Schritt vorw\u00e4rts auf dem Weg zur potenziellen Entwicklung eines stabileren Quantencomputers, der uns endlich die Zukunft er\u00f6ffnen k\u00f6nnte, die immer noch ein Jahrzehnt entfernt scheint.<\/p>\n Anfang 2017 begannen Wissenschaftler mit der Untersuchung einer neuen Art von Materie: Zeitkristalle.<\/strong><\/span>\u00a0Kristalle sind Strukturen, in denen sich das Muster der Atome oder Molek\u00fcle im Raum wiederholt. Zwei Forschergruppen haben entdeckt, dass sich wiederholende Muster in Kristallen \u00fcber die Zeit hinweg erhalten bleiben k\u00f6nnen. Diese \u201eZeitkristalle\u201c, die in einem neuen Artikel im Physical Review Letter beschrieben werden, stellen eine v\u00f6llig neue Art von Materie dar, die niemals ein Gleichgewicht erreichen kann.<\/p>\n 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 hei\u00dft, die Kristalle sind st\u00e4ndig in Bewegung, obwohl sie keinerlei Energie enthalten. Fast die gesamte Physik basiert auf dem Studium von Materie im Gleichgewicht. Daher ist die F\u00e4higkeit, diese Nichtgleichgewichtskristalle zu erzeugen, f\u00fcr die Zukunft der Physik von gro\u00dfer Bedeutung.<\/p>\n \u201eEs handelt sich um eine neue Phase der Materie, Punkt, aber es ist auch wirklich cool, weil es eines der ersten Beispiele f\u00fcr Materie im Nichtgleichgewicht ist\u201c, sagte er gegen\u00fcber EurekaAlert! leitender Forscher Norman Yao von der University of California, Berkeley.<\/p>\n Die Idee von Zeitkristallen \u2013 einer Form von Materie, die sich sogar in ihrem energiefreien Grundzustand zu bewegen scheint \u2013 wurde erstmals 2012 vom Nobelpreistr\u00e4ger und theoretischen Physiker Frank Wilczek vorgeschlagen. Normalerweise sollte Bewegung von Materie im Grundzustand unm\u00f6glich sein, da sie keine Energie enth\u00e4lt.<\/p>\n Forscher sagen, dass Zeitkristalle Gelee \u00e4hneln. Wenn man auf die Geleemasse klopft, wackelt sie. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Kristalle ohne Energieaufwand und ohne Ber\u00fchrung sch\u00fctteln. Zeitkristalle k\u00f6nnen per Definition niemals aufh\u00f6ren zu schwingen, egal wie wenig Energie sie enthalten.<\/p>\n Im Jahr 2020 haben Wissenschaftler zum ersten Mal in der Geschichte die Interaktion von Zeitkristallen aufgezeichnet.<\/strong><\/span>\u00a0<\/span>Zeitkristalle sind eine v\u00f6llig 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.<\/p>\n Zum ersten Mal haben Wissenschaftler die Interaktion einer seltenen und mysteri\u00f6sen Form von Materie namens Zeitkristalle beobachtet. Auf den ersten Blick sehen die Kristalle wie \u201egew\u00f6hnliche\u201c 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 k\u00f6nnten.<\/p>\n Erst in den 2010er Jahren begannen Wissenschaftler, Theorien \u00fcber die Existenz von Zeitkristallen aufzustellen, die einen Materiezustand darstellen, der der sogenannten Rubin-Schokolade entspricht. Bis 2015 hatten die Forscher M\u00f6glichkeiten aufgezeigt, wie Zeitkristalle, eine allgemein als \u201eNichtgleichgewichtsform der Materie\u201c bezeichnete Form, existieren k\u00f6nnten: \u201eDas Team untersuchte, was passiert, wenn bestimmte isolierte Quantensysteme, die aus einer Mischung wechselwirkender Teilchen bestehen, wiederholt einem Laser ausgesetzt werden.\u201c 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 w\u00fcrden.\u201c<\/p>\n Nun, so sagen die Forscher, haben sie zwei Zeitkristalle zusammengeschlagen, um zu sehen, was als n\u00e4chstes passiert. \u201eUnsere Ergebnisse zeigen, dass Zeitkristalle der allgemeinen Dynamik der Quantenmechanik gehorchen und bieten eine Grundlage f\u00fcr die weitere Untersuchung der grundlegenden Eigenschaften dieser Phasen, was den Weg f\u00fcr m\u00f6gliche Anwendungen in aufstrebenden Bereichen wie der Quanteninformationsverarbeitung ebnet\u201c, erkl\u00e4ren sie in dem neuen Artikel.<\/p>\n In ihren Experimenten platzierten sie zwei Zeitkristalle mit Suprafl\u00fcssigkeit und gemischten Magnonen dazwischen. Bei Magnonen handelt es sich um magnetische Quasiteilchen, was in diesem Fall zu \u201egegenphasigen Schwingungen\u201c f\u00fchrte, w\u00e4hrend 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 verh\u00e4lt.<\/p>\n \u201eNiemand hat jemals zuvor zwei Zeitkristalle im selben System beobachtet, geschweige denn ihre Interaktion gesehen\u201c, sagte der Hauptautor Samuli Auti von der Lancaster University in einer Erkl\u00e4rung. \u201eKontrollierte Interaktionen stehen ganz oben auf der Wunschliste aller, die einen Zeitkristall f\u00fcr praktische Anwendungen wie die Quanteninformationsverarbeitung nutzen m\u00f6chten.\u201c<\/p>\n Ohne diese entscheidende Entdeckung w\u00e4re man vermutlich nie auf die Idee gekommen, dass ein Zeitkristall Teil eines konstruierten Systems sein k\u00f6nnte.<\/p>\n\n Was ist diese seltsame Schwingung, die diese Kristalle auszeichnet? Es gibt eine interne Bewegung, die eines der grundlegenden Gesetze der Physik zu verletzen scheint: n\u00e4mlich, dass bewegte Teilchen in Bewegung bleiben und scheinbar nie Energie verlieren. Woher kommt die anf\u00e4ngliche Energie und warum wird sie nie abgef\u00fchrt? In gewissem Sinne wird die Frage durch die Untersuchung der Wechselwirkung von Kristallen noch mysteri\u00f6ser, da dadurch einige Parameter eingegrenzt werden. Kristalle verhalten sich in diesen bestimmten anderen Bereichen normal, und das bedeutet, dass die Energiequelle oder das Ph\u00e4nomen, was auch immer es ist, als Ganzes erhalten bleibt.<\/p>\n Anfang 2024 bauten Wissenschaftler einen Zeitkristall, der 40 Minuten hielt.<\/strong>\u00a0<\/span>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.<\/p>\n Obwohl Wissenschaftler viele diskrete Zeitkristalle geschaffen haben, ist es nur einer Gruppe gelungen, einen kontinuierlichen Zeitkristall zu erzeugen, und dies auch nur f\u00fcr wenige Millisekunden.<\/p>\n Nun haben Wissenschaftler der Technischen Universit\u00e4t Dortmund ein Modell entwickelt, das 10 Millionen Mal l\u00e4nger funktionierte \u2013 etwa 40 Minuten.<\/p>\n W\u00e4hrend die Atome gew\u00f6hnlicher, allt\u00e4glicher Kristalle in einem sich wiederholenden Muster im Raum angeordnet sind, sind Zeitkristalle zus\u00e4tzlich in einem sich wiederholenden Muster in der Zeit angeordnet \u2013 im Wesentlichen handelt es sich dabei um Kristalle, die in einer Dimension jenseits unserer typischen dreidimensionalen Wahrnehmung existieren. \u201eAuf diese Weise kann man das Beste aus beidem haben\u201c, sagte der US-amerikanische Nobelpreistr\u00e4ger Frank Wilczek, der 2012 erstmals die Zeitkristalle erfand.<\/p>\n Zeitkristalle werden auf die gleiche Weise erzeugt wie viele andere Dinge in der fortgeschrittenen Physik \u2013 mithilfe unterk\u00fchlter Atome (d. h. Bose-Einstein-Kondensate) und Lasern. Obwohl dieser aufregende neue Zustand der Materie in der Welt der Quantencomputer revolution\u00e4re Anwendungsm\u00f6glichkeiten haben k\u00f6nnte, d\u00fcrften diese nicht lange anhalten. So beobachteten Wissenschaftler der Universit\u00e4t Hamburg im Jahr 2022 einen kontinuierlichen Zeitkristall, der allerdings nur wenige Millisekunden dauerte.<\/p>\n Nun haben Forscher der Technischen Universit\u00e4t Dortmund einen kontinuierlichen Zeitkristall geschaffen, der 10 Millionen Mal l\u00e4nger h\u00e4lt, n\u00e4mlich etwa 40 Minuten. Um Wilczeks eigene Worte zu verwenden: Das ist eine Menge.<\/p>\n 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 \u201eReservoir f\u00fcr einen Zeitkristall\u201c, hei\u00dft es in einer Pressemitteilung der Universit\u00e4t. Nach dem Abk\u00fchlen auf 6 Kelvin und der Bestrahlung mit einem Laser entsteht durch die Wechselwirkung des Lasers mit schwach gehaltenen Elektronen ein Kernspin.<\/p>\n 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 \u2013 eine Gr\u00f6\u00dfenordnung l\u00e4nger als bei jedem zuvor existierenden kontinuierlichen Zeitkristall. Die Ergebnisse dieser Studie wurden Ende Januar 2024 in der Fachzeitschrift Nature ver\u00f6ffentlicht.<\/p>\n W\u00e4hrend 40 Minuten bereits eine Leistung darstellen, ist dies m\u00f6glicherweise nur der Anfang der Frage, wie lange solche Kristalle halten k\u00f6nnen. Laut ScienceAlert zeigte dieser Kristall nach 40 Minuten keine Anzeichen von Zerfall, was bedeutet, dass zuk\u00fcnftige Zeitkristalle Stunden oder sogar l\u00e4nger \u00fcberdauern k\u00f6nnten.<\/p>\n K\u00f6nnen uns diese Kristalle helfen, durch die Zeit zu reisen?<\/strong>\u00a0<\/span>Um ein Gef\u00fchl f\u00fcr Zeitkristalle zu bekommen, denken Sie an Schneeflocken oder Rubine \u2013 Kristalle, die die r\u00e4umliche 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 \u00e4ndern dabei ihre Richtung, als w\u00fcrden sie von einer pulsierenden Kraft umgew\u00e4lzt, hei\u00dft es in der Publikation Popular Mechanics.<\/p>\n Dar\u00fcber hinaus k\u00f6nnen sich Zeitkristalle bewegen, ohne Energie aufzunehmen, da sie aus gefangenen Ionen bestehen \u2013 Gemischen aus elektrischen oder magnetischen Feldern, die geladene Teilchen normalerweise in einem von der Au\u00dfenwelt isolierten System gefangen halten k\u00f6nnen und ihnen die F\u00e4higkeit verleihen, selbst an ihrem niedrigsten Energiepunkt (dem so genannten Grundzustand) unaufhaltsam zu rotieren.<\/p>\n Vladimir Yeltsov, ein angewandter Physiker an der Aalto-Universit\u00e4t in Finnland, der zusammen mit Professor Grigory Volovik und dem Doktoranden Samuli Auti im Mai 2018 einen Zeitquasikristall in einen vollwertigen und suprafl\u00fcssigen Zeitkristall verwandelte, bewundert die Vorz\u00fcge von Zeitkristallen \u2013 auch wenn er (noch) nicht an ihre F\u00e4higkeit glaubt, uns alle in angehende Doc Browns zu verwandeln.<\/p>\n Stattdessen denkt Elstow lieber dar\u00fcber nach, wie Zeitkristalle uns technologisch weiterbringen k\u00f6nnten. Zeitkristalle k\u00f6nnten uns beispielsweise dabei helfen, hochempfindliche Magnetfelddetektoren oder Komponenten f\u00fcr Quantencomputer zu entwickeln. Und Elstows Vertrauen in diese faszinierenden Strukturen ist so gro\u00df, dass er \u00fcberzeugt ist, sie k\u00f6nnten unser Verb\u00fcndeter bei der L\u00f6sung der theoretischsten und anspruchsvollsten Probleme im Zusammenhang mit den fundamentalen Gesetzen des Universums werden.<\/p>\n Im Jahr 2012 schlug der theoretische Physiker und Nobelpreistr\u00e4ger des MIT, Frank Wilczek, erstmals vor, dass die Periodizit\u00e4t (die Eigenschaft, in geordneten Abst\u00e4nden 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 gew\u00f6hnlicher Kristall im Weltraum gefrieren k\u00f6nnte. Doch in einem hitzigen Moment bezeichneten Patrick Bruno von der European Synchrotron Radiation Facility im franz\u00f6sischen Grenoble und wenige Augenblicke sp\u00e4ter auch Haruki Watanabe von der University of California in Berkeley und Masaki Oshikawa von der Universit\u00e4t Tokio Wilczeks Vorschlag als nicht durchf\u00fchrbar.<\/p>\n\n \u201eWo auf der Erde kann ein System in seinem Grundzustand \u00fcberhaupt die Energie finden, um eine periodische Bewegung zu erzeugen?\u201c \u2013 bellten sie. Nur in einem System, dessen Gleichgewichtszustand \u2013 sein station\u00e4rer Zustand \u2013 durch eine treibende Kraft gest\u00f6rt wurde, k\u00f6nne ein periodisches Kristallverhalten erreicht werden, sagten Watanabe und Oshikawa. Das ist alles. Die wissenschaftliche Gemeinschaft lie\u00df das Konzept der \u201eFloquet-Systeme\u201c oder Quantensysteme, in denen eine Art Antriebskraft dem System Periodizit\u00e4t verleiht, schnell wieder aufleben (urspr\u00fcnglich im 19. Jahrhundert vom Mathematiker Gaston Floquet verstanden und mathematisch berechnet).<\/p>\n Im Jahr 2015 ver\u00f6ffentlichten der theoretische Physiker Shivaji Sondhi und seine Kollegen an der Princeton University eine Arbeit, in der sie die theoretischen Grundlagen daf\u00fcr darlegten, wie Zeitkristalle tats\u00e4chlich existieren k\u00f6nnten. \u201eZu diesem Zeitpunkt hatten wir nicht speziell Zeitkristalle im Sinn, sondern eher Nichtgleichgewichtszust\u00e4nde der Materie\u201c, sagt Vedika Khemani, damals Mitglied des Pionierteams in Princeton und heute Festk\u00f6rperphysikerin 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.<\/p>\n 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 \u201eidealisierten\u201c Pendel in einer reibungslosen Umgebung \u2013 einem Vakuum \u2013 erzeugen die Wechselwirkungen zwischen den vielen Teilchen, aus denen das Pendel besteht, innere Spannungen und f\u00fchren wiederum dazu, dass das Pendel tr\u00e4ge wird. Ein noch idealisierteres Pendel, das aus nur einem Teilchen besteht, k\u00f6nnte sich f\u00fcr immer hin und her bewegen, es w\u00e4re jedoch kein einzigartiger Zeitkristall. Im Gegensatz dazu handelte es sich beim Pendel des Princeton-Teams um ein Pendel, bei dem viele Teilchen f\u00fcr immer weiter pulsieren konnten, ohne dass eine konstante Energiezufuhr erforderlich war. Es war ein v\u00f6llig neuer Materiezustand.<\/p>\n 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 k\u00fcnstlichen Gitters aus synthetischem Diamant. Das zweite von der University of Maryland verwendete eine Kette geladener Teilchen, sogenannte \u201eYtterbiumionen\u201c.<\/p>\n Renommierte Universit\u00e4ten wie Princeton, Harvard und die University of California in Berkeley sind nicht die einzigen Institutionen, die sich leidenschaftlich mit der Zeitkristallforschung besch\u00e4ftigen. Sogar die US-Armee hat erhebliche Mittel in die Aufkl\u00e4rung der geheimnisvollen Eigenschaften dieser konzeptionell erstaunlichen Strukturen gesteckt.<\/p>\n Wenn die Forschung zu Zeitkristallen also keine Anzeichen einer Ersch\u00f6pfung zeigt, k\u00f6nnten sie vielleicht doch Zeitreisen erm\u00f6glichen?<\/p>\n \u201eNein\u201c, sagt Khemani unverbl\u00fcmt. \u201eDas ist eine v\u00f6llig neue Phase der Materie, die wirklich besonders, wirklich exotisch ist. Aber das ist alles.\u201c 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.<\/p>\n \u201eZeitkristalle k\u00f6nnten stattdessen als Quantenspeicher verwendet werden\u201c, sagt Holler. Die Quantenkommunikation, also die \u00dcbertragung von Informationen mithilfe von Quantenbits, k\u00f6nnte uns eine sehr sichere M\u00f6glichkeit bieten, Informationen von einem Ort zum anderen zu \u00fcbertragen, was etwa f\u00fcr den Bankensektor oder die nationale Sicherheit sehr n\u00fctzlich sein k\u00f6nnte. Es scheint, dass die extreme St\u00e4rke von Zeitkristallen unter Bedingungen, die sonst nicht m\u00f6glich w\u00e4ren, auch das Geheimnis f\u00fcr die Konsistenz in der Quanteninformatik sein k\u00f6nnte, stimmt Jelzow zu.<\/p>\n Allerdings m\u00fcssen wir noch mindestens f\u00fcnf Jahre warten, bis Quantenkommunikationssysteme auf den Markt kommen und beginnen, in unsere kommerziellen Systeme einzudringen , sagt Holler. Unterdessen bleiben Wissenschaftler wie Hemani gegen\u00fcber der gesamten Diskussion um die Quantenkommunikation vorsichtig.<\/p>\n Aber ist es wirklich so falsch \u2013 und jenseits des Bereichs wissenschaftlicher M\u00f6glichkeiten \u2013, dass wir die Zeit immer noch auf andere Weise als durch Zeitkristalle kr\u00fcmmen wollen?<\/p>\n Die gute Nachricht: \u201eZeitreisen lassen sich nicht grunds\u00e4tzlich ausschlie\u00dfen\u201c, sagt Jelzow.<\/p>\n Nun die etwas entt\u00e4uschende Nachricht: \u201eAber um das zu verstehen, w\u00e4ren enorme Energiedichten erforderlich, die wir weder jetzt noch in absehbarer Zukunft im Labor erreichen k\u00f6nnen.\u201c<\/p>\n Denken Sie an den Large Hadron Collider (LHC) am CERN, der Europ\u00e4ischen Organisation f\u00fcr Kernforschung. Der LHC, der gr\u00f6\u00dfte und leistungsst\u00e4rkste Teilchenbeschleuniger der Welt, wiegt mehr als 38.000 Tonnen, verl\u00e4uft 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 gro\u00df \u2013 und wir ben\u00f6tigen noch Gr\u00f6\u00dfenordnungen, um \u00fcberhaupt mit der Betrachtung von Zeitreisen beginnen zu k\u00f6nnen, sagt Holler. Wir sind einfach nicht bereit.<\/p>\n \u201eMit der derzeitigen Technologie ist das v\u00f6llig undurchf\u00fchrbar\u201c, sagt Kurt von Keyserlingk, ein theoretischer Physiker an der Universit\u00e4t Birmingham, der 2016 zusammen mit Khemani und Szondi weitere theoretische Arbeiten zu Zeitkristallen durchgef\u00fchrt hat. \u201eDas hei\u00dft aber nicht, dass es unm\u00f6glich ist\u201c, f\u00fcgt er schnell hinzu und fordert uns auf, einen Blick auf die Arbeit des Physikers Kip S. Thorne zu werfen.<\/p>\n 2017 erhielt Thorne zusammen mit Rainer Weiss und Barry K. Barish den Nobelpreis f\u00fcr Physik f\u00fcr die erstmalige Entdeckung einer Gravitationswelle. Thorne ist in der erbitterten Welt der Physik vor allem als Sch\u00f6pfer Science-Fiction-freundlicher Ideen bekannt. Er war es, der dem Kosmologen und Autor Carl Sagan riet, ein hypothetisches, durchquerbares Wurmloch zu verwenden, das zwei Zeitr\u00e4ume verbindet, um Jodie Foster in \u201eContact\u201c, dem 1997 erschienenen Film, der auf Sagans Roman von 1985 basiert, durch das Universum zu transportieren. Er beteiligte sich au\u00dferdem an der Schaffung des Schwarzen Lochs f\u00fcr Interstellar und meinte, Wurml\u00f6cher k\u00f6nnten f\u00fcr Reisen im Raum und in der Zeit genutzt werden.<\/p>\n Thorne hat Erkl\u00e4rungen f\u00fcr mehrere logische R\u00e4tsel im Zusammenhang mit Zeitreisen angeboten, darunter das Paradoxon, durch ein Wurmloch in der Zeit zur\u00fcckzureisen und dabei versehentlich seinen Gro\u00dfvater und damit auch sich selbst zu t\u00f6ten. (Wie k\u00f6nnen Sie existieren, wenn Ihr Vater nicht existiert, weil das f\u00fcr seine Zeugung verantwortliche Spermium zerst\u00f6rt wurde… von Ihnen?) Im Jahr 1991 stellte Thorne einige Berechnungen an und fand heraus, dass derartige Paradoxe nicht auftreten k\u00f6nnen, sondern durch eine unendliche Zahl anderer m\u00f6glicher Ergebnisse ersetzt werden. (Sie k\u00f6nnen in der Zeit zur\u00fcckgehen und Ihren Gro\u00dfvater so oft \u00e4rgern, wie Sie wollen, aber Sie k\u00f6nnen ihn auf keinen Fall t\u00f6ten, denn sonst w\u00fcrden Sie nicht existieren, um ihn zu t\u00f6ten.)<\/p>\n Dann gibt es noch die Viele-Welten-Hypothese, die einige der Implikationen l\u00f6sen k\u00f6nnte, die sich ergeben, wenn man in der Zeit zur\u00fcckgeht und die Zukunft ver\u00e4ndert. 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 Zust\u00e4nden befinden und so organisiert sind, dass zwischen ihnen keine Informationen \u00fcbertragen werden k\u00f6nnen. Im Wesentlichen spaltet sich das Universum mit jeder Entscheidung, die wir treffen, in mehrere Realit\u00e4ten auf, und wir sind uns der alternativen Szenarien, die unsere exakten Kopien in anderen Universen erleben, \u00fcberhaupt nicht bewusst.<\/p>\n \u201eUm die schwierigsten Probleme der Physik zu l\u00f6sen, m\u00fcssen wir viele unserer Vorurteile aufgeben \u2026 Zeitreisen w\u00fcrden uns der Multiversum-Theorie zufolge in eines dieser anderen Universen f\u00fchren, es w\u00e4re f\u00fcr uns also nicht unbedingt ein gerader linearer Weg hin und zur\u00fcck, sondern ein \u00dcbergang zwischen Universen\u201c, sagt Holler. \u201eIch glaube nicht v\u00f6llig daran, aber es arbeiten viele kluge Leute daran und sie scheinen zu glauben, dass es sehr, sehr machbar ist\u201c, f\u00e4hrt er fort.<\/p>\n F\u00fcr die unglaublich attraktive Multiversum-Theorie gebe es jedoch keinen Beweis in Form verl\u00e4sslicher Berechnungen, sagt von Keyserlingk. Das Problem bei der Viele-Welten-Interpretation und bei Zeitreisen liegt f\u00fcr ihn nicht darin, dass sie zwangsl\u00e4ufig Fiktion sind, sondern dass uns gegenw\u00e4rtig m\u00f6glicherweise die mathematischen Werkzeuge und sogar die philosophischen Ideen fehlen, um diese Dinge zu diskutieren. Sie seien das theoretische Ende der Physik, sagt er: Dinge, \u00fcber die wir nur spekulieren k\u00f6nnen, w\u00e4hrend Wissenschaft bestenfalls blo\u00df \u201efundierte Vermutungen\u201c seien.<\/p>\n \u201eManchmal kann es passieren, dass die Natur uns vor Fragen stellt, die noch niemand zuvor gel\u00f6st hat\u201c, sagt von Keyserlingk. \u201eEines der Probleme besteht darin, dass wir eine ziemlich feste Vorstellung davon haben, was Raum und Zeit sind. Um die schwierigsten Probleme der Physik zu l\u00f6sen, m\u00fcssen wir viele unserer vorgefassten Meinungen loslassen.\u201c<\/p>\n\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" Die langfristigen Aussichten f\u00fcr zuverl\u00e4ssige Quantencomputer k\u00f6nnen kaum \u00fcbersch\u00e4tzt werden. Ihr Potenzial, Krankheiten zu heilen, dringend ben\u00f6tigte bahnbrechende Neuerungen in der Materialforschung herbeizuf\u00fchren und sogar gro\u00dfe Probleme wie den Klimawandel zu l\u00f6sen, ist kein technologisches Geschw\u00e4tz, sondern eine echte M\u00f6glichkeit. Zeitkristalle sind eine v\u00f6llig neue Form von Materie, in der sich Teilchen ewig bewegen und keine Energie verlieren.<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":1184,"comment_status":"closed","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[243,41,40],"tags":[452,451,450],"class_list":{"0":"post-1183","1":"post","2":"type-post","3":"status-publish","4":"format-standard","5":"has-post-thumbnail","7":"category-exakte-wissenschaften","8":"category-moderne-philosophie","9":"category-philosophie","10":"tag-quantentechnologie","11":"tag-teleportation","12":"tag-zeitkristalle"},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/planeta21vek.ru\/artemiada\/deu\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1183","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/planeta21vek.ru\/artemiada\/deu\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/planeta21vek.ru\/artemiada\/deu\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/planeta21vek.ru\/artemiada\/deu\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/planeta21vek.ru\/artemiada\/deu\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1183"}],"version-history":[{"count":2,"href":"https:\/\/planeta21vek.ru\/artemiada\/deu\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1183\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":1278,"href":"https:\/\/planeta21vek.ru\/artemiada\/deu\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1183\/revisions\/1278"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/planeta21vek.ru\/artemiada\/deu\/wp-json\/wp\/v2\/media\/1184"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/planeta21vek.ru\/artemiada\/deu\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1183"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/planeta21vek.ru\/artemiada\/deu\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1183"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/planeta21vek.ru\/artemiada\/deu\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1183"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}![\"\"](\"https:\/\/planeta21vek.ru\/artemiada\/wp-content\/uploads\/2025\/02\/vremya220225.jpg\")
\nAlex Greulich\/TU Dortmund<\/em><\/p>\n![\"\"](\"https:\/\/planeta21vek.ru\/artemiada\/wp-content\/uploads\/2025\/02\/vremya2202253.jpg\")
\nEin Zeitkristall ist ein exotischer Materiezustand, der die Starrheit eines normalen Kristalls mit einem regelm\u00e4\u00dfigen Zeitrhythmus kombiniert. Popular Mechanics Magazin<\/em><\/p>\n![\"\"](\"https:\/\/planeta21vek.ru\/artemiada\/wp-content\/uploads\/2025\/02\/vremya2202255.jpg\")
\nPhysiker der University of Maryland haben den ersten Kristall mithilfe einer eindimensionalen Kette von Ytterbiumionen geschaffen. Popular Mechanics Magazin<\/em><\/p>\n![\"\"](\"https:\/\/planeta21vek.ru\/artemiada\/wp-content\/uploads\/2025\/02\/vremya2202251.jpg\")
\nLabor. Aalto-Universit\u00e4t\/Mikko Raskinen<\/em><\/p>\n![\"\"](\"https:\/\/planeta21vek.ru\/artemiada\/wp-content\/uploads\/2025\/02\/vremya2202256.jpg\")
<\/p>\n![\"\"](\"https:\/\/planeta21vek.ru\/artemiada\/wp-content\/uploads\/2025\/02\/vremya2202254.jpg\")
\nProfessor 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<\/em><\/p>\n![\"\"](\"https:\/\/planeta21vek.ru\/artemiada\/wp-content\/uploads\/2025\/02\/vremya2202252.jpg\")
\nEine Studentin der Fordham University (Jeda Mackayla Mendoza) stellt in einem Labor einen Laser ein. \u201eIn diesem Bild gibt es keine Kristalle (der Zeit oder so etwas), und wir verwenden Kristalle nur als Mittel, um die Wellenl\u00e4nge der Lichtquelle zu \u00e4ndern, aber Laser sind immer kalt\u201c, sagt Stephen Holler, ein Physiker bei Fordham. Popular Mechanics Magazin<\/em><\/p>\n