Woran denkst du, wenn du von Zeitkristallen hörst? Da fällt mir sofort so etwas wie ein Tesseract aus dem Marvel Multiverse oder eine andere verrückte Erfindung des genialen Rick aus “Rick and Morty” ein. Stellen Sie sich vor – die mysteriösen Kristalle der Zeit, die ihren Besitzer sowohl in die Vergangenheit als auch in die Zukunft versetzen können. Aber natürlich habe ich Science-Fiction rezensiert und in Wirklichkeit sind Zeitkristalle oder Wilczek-Kristalle nicht in der Lage, irgendjemanden oder irgendetwas in der Zeit zu bewegen. Und doch sind Physiker buchstäblich von ihnen besessen. Der Grund für diese Besessenheit ist eigentlich einfach: Tatsächlich ist der Zeitkristall eine besondere Phase der Materie, die sich ständig verändert, aber keine Energie zu verbrauchen scheint. Stellen Sie sich ein Objekt vor, dessen Teile sich in einem regelmäßigen, sich wiederholenden Zyklus bewegen und diese ständige Veränderung beibehalten, ohne Energie zu verbrennen. Allgemein. Zeitkristalle sind auch die ersten Objekte, die spontan die “Zeitreise-Symmetrie” brechen. – die übliche Regel, nach der ein stabiles Objekt während der gesamten Zeit unverändert bleibt. Zeitkristalle sind stabil und ändern sich ständig in regelmäßigen Abständen.
Der Zeitkristall ist eine neue Phase der Materie, die Physiker seit vielen Jahren zu verwirklichen versuchen
Inhalt
- 1 Was sind & # 171 ;Kristalle der Zeit & # 187 ;?
- 2 Ein bisschen Quantenmechanik
- 3 Zeitkristalle und Quantencomputer
- 4 Wie Wissenschaftler Zeitkristalle schufen
Was sind “Zeitkristalle”?
2012 schlug der Physik-Nobelpreisträger Frank Wilczek die Existenz eines neuen Kristalltyps vor. Da die meisten Kristalle eine sich wiederholende Struktur in zwei oder drei Dimensionen aufweisen, präsentierte Wilczek ein anderes Konzept eines Kristalls, dessen Struktur viermal reproduziert wird: Drei davon entsprechen den Raumdimensionen und das vierte entspricht dem Dimension der Zeit.
Wenn man an Kristalle im Raum denkt, dann ist es nur natürlich, darüber nachzudenken, das Verhalten von Kristallen in der Zeit zu klassifizieren, – sagte er dann.
Da die neue Struktur einen Namen brauchte, markierte Wilczek sie mit einem “Zeitkristall”. Und diese Geschichte wäre wahrscheinlich hypothetisch geblieben, wenn die Wissenschaftler 2018 nicht verstanden hätten, wie diese ungewöhnlichen Strukturen im Labor synthetisiert werden können. Physiker glauben heute, dass sich Zeitkristalle in einer natürlichen Umgebung bilden können, und der Prozess selbst ist viel einfacher, als die meisten Forscher angenommen haben.
Bild und Übersetzung – Quelle
Tatsächlich nennen viele Menschen die temporären Kristalle Glück für die Menschheit, da sie für praktische Zwecke verwendet werden können, zum Beispiel bei der Herstellung von ultrapräzisen Atomuhren, Gyroskopen und anderen Geräten. Und sie stellen auch das mächtigste Potenzial für die Entwicklung von Quantencomputern dar.
Das ist interessant: Impliziert die Quantenmechanik eine Pluralität von Welten oder wie lautet Everetts Interpretation?
Somit ist der Zeitkristall eine neue Kategorie von Phasen der Materie und erweitert die Definition dessen, was die „Phase“ ist. Alle anderen bekannten Phasen, wie Wasser oder Eis, befinden sich im thermischen Gleichgewicht: Ihre konstituierenden Atome sind in den Zustand mit der niedrigsten Energie übergegangen, die die Umgebungstemperatur zulässt, und ihre Eigenschaften ändern sich im Laufe der Zeit nicht.
Und hier ist der Zeitkristall & # 8212; dies ist die erste Phase von “out of balance”: er hat Ordnung und perfekte Stabilität, obwohl er sich in einem aufgeregten und sich entwickelnden Zustand befindet.
Wilczek-Kristalle bieten eine völlig neue Perspektive auf diese Objekte
Interessanterweise sind Zeitkristalle auch die ersten Objekte, die spontan die & # 171; Symmetrie von brechen Bewegung in der Zeit & # 187; – die übliche Regel, nach der ein stabiles Objekt während der gesamten Zeit unverändert bleibt. Der Zeitkristall ist gleichzeitig stabil, verändert sich aber gleichzeitig ständig, ohne Energie zu absorbieren.
Um immer über die neuesten Nachrichten aus der Welt der Wissenschaft und Hochtechnologie informiert zu sein, abonnieren Sie unseren Nachrichtenkanal in Telegram . So verpasst du garantiert nichts Interessantes!
Ein bisschen Quantenmechanik
Betrachten Sie Diamant – die kristalline Phase einer Ansammlung von Kohlenstoffatomen. Der Cluster unterliegt im gesamten Raum den gleichen Gleichungen, nimmt jedoch eine Form an, die periodische räumliche Änderungen aufweist, wobei sich die Atome an den Punkten des Gitters befinden. Physiker sagen, dass dies der Weg ist “Spontane Symmetriebrechung der Raumübertragung” – nur Gleichgewichtszustände mit minimaler Energie brechen auf diese Weise spontan die räumliche Symmetrie.
Im Wesentlichen stellte sich Wilczek ein mehrkomponentiges Objekt im Gleichgewicht vor, das einem Diamanten sehr ähnlich ist. Aber dieses Objekt durchbricht die Symmetrie der zeitlichen Bewegung: Es unterliegt einer periodischen Bewegung und kehrt in regelmäßigen Abständen in seine ursprüngliche Konfiguration zurück.
Gleichzeitig war der ursprünglich von Wilczek vorgeschlagene Zeitkristall ganz anders, sagen wir: von einer Wanduhr – ein Objekt, das auch periodischen Bewegungen unterliegt. Die Uhrzeiger verbrennen Energie und stoppen , wenn die Batterie leer ist. Wilczeks Zeitkristall läuft auf unbestimmte Zeit , da sich das System in seinem superstabilen Gleichgewichtszustand befindet.
Es ist schwer zu verstehen, was Zeitkristalle sind. Aber Physiker lieben es, komplexe Probleme zu lösen
Stellen wir uns also eine Reihe von Partikeln vor, jedes mit einer magnetischen Orientierung (Spin), die nach oben, unten oder mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit in beide Richtungen zeigt. Stellen Sie sich nun vor, dass die ersten vier Drehungen zunächst nach oben, unten, unten und oben sind. Spins werden quantenmechanisch wackeln und sich schnell ausrichten, wenn sie können.
Aber zufällige Wechselwirkung zwischen ihnen kann dazu führen, dass eine Reihe von Partikeln in ihrer spezifischen Konfiguration stecken bleiben und sich nicht wieder aufbauen oder ein thermisches Gleichgewicht herstellen können. Sie zeigen unendlich nach oben, unten, unten und oben.
Mehr zum Thema: Kann die Quantenmechanik die Raumzeit erklären?
Wie Forscher kürzlich herausgefunden haben, können lokalisierte Systeme mit vielen Körpern eine besondere Ordnung aufweisen, die zur zweiten Schlüsselkomponente des Zeitkristalls wird: Wenn Sie alle Drehungen im System umdrehen (in unserem Beispiel nach unten, oben, oben und unten) , erhalten wir einen weiteren stabilen lokalisierten Zustand mit vielen Körpern. Darüber hinaus ist es Forschern kürzlich gelungen, Zeitkristalle in einen Quantencomputer zu stecken.
Zeitkristalle und Quantencomputer
Es ist wichtig zu verstehen, dass Zeitkristalle wie andere Quantenphänomene einige bekannte physikalische Gesetze verletzen – insbesondere das erste Bewegungsgesetz von Isaac Newton. Und wenn es den Wissenschaftlern wirklich gelungen wäre, Wilczek-Kristalle in einen Quantencomputer zu stecken – wie im Vorabdruck einer wissenschaftlichen Arbeit angedeutet – könnte ihre Entdeckung die Welt in nur einer Nacht verändern.
Ja, Zeitkristalle können die Welt radikal verändern Spielregeln für Quantencomputer. Schließlich arbeiten sie auf der wichtigsten molekularen und sogar partiellen Ebene, nutzen Ideen wie den Durchgang von Elektronen um feste Materialien (wörtlich, was Elektrizität ist!) Und stellen auf freundschaftliche Weise eine große Herausforderung für Wissenschaftler dar.
Zeitkristalle und Quantencomputer können die Welt verändern
Auf praktischer Ebene gibt es Möglichkeiten, wie Quantencomputer einen besonderen Zugang zu Ideen bieten, mit denen herkömmliche elektronische Computer einfach nicht umgehen können. Hier kommen Zeitkristalle ins Spiel – wenn ein anschließendes Peer-Review beweist, dass die Ergebnisse der Autoren der neuen Studie zuverlässig sind.
Das könnte Sie interessieren: In China ist ein Quantencomputer entstanden, der das Schwierigste löst Problem in 200 Sekunden
Elektronische Computer wie der, auf dem Sie diesen Artikel vielleicht lesen, verwenden logische Gatter, die sich ein- und ausschalten, sodass alles in Ihrem Computer nur von zwei Zuständen abhängt: ein und aus, hell und dunkel, 1 und 0, kurz gesagt, die ganzes binäres System. Die Einführung von Qubits (Quantenbits, die oft ein einzelnes Atom eines Elements mit einem sorgfältig kontrollierten Elektron darstellen) verkompliziert die Situation weiter, sowohl durch das Hinzufügen weiterer möglicher Zustände (anstatt nur an-aus) und durch das Hinzufügen der gesamten Basis von Quanten Unsicherheit.
Stellen Sie sich nun vor, dass eine Zahl zwischen 1 und 100 tatsächlich das Ergebnis eines Plans ist, ein Perpetuum Mobile zu bauen. Tatsächlich gibt es Tausende, Millionen oder sogar noch mehr Möglichkeiten. Anstatt zu versuchen, & # 187; ein binärer Computer, um die Arbeit auf unbequeme Weise zu erledigen, ein Quantencomputer könnte Wissenschaftlern helfen, sich natürlicher vorzustellen, was vor sich geht.
Das Google-Team und 100 weitere Wissenschaftler aus verschiedenen Ländern arbeiten an der Entwicklung eines Quantencomputers
Hier eröffnen Zeitkristalle ein Meer von Möglichkeiten, nicht nur das Quantencomputing von Qubits. Zeitkristalle sind stabil, pulsieren aber in interessanten Intervallen, was bedeutet, dass sie Wissenschaftlern helfen können, Dinge wie sich wiederholende Muster oder Zufallszahlen zu untersuchen – mit ähnlichen Auswirkungen auf die Naturwissenschaften und darüber hinaus.
Lesen Sie auch: Was kann die Quantenphysik erzählen uns über die Natur der Realität?
Wie Wissenschaftler Zeitkristalle schufen
In der neuen Studie hat eine Gruppe von mehr als 100 Wissenschaftlern aus der ganzen Welt mit dem Google Quantum AI Team, einer gemeinsamen Initiative von Google, der NASA und der gemeinnützigen Universitäts-Weltraumforschungsvereinigung, zusammengearbeitet, um die Forschung im Bereich Quantencomputing und Informatik zu beschleunigen. In dem Artikel beschreiben Wissenschaftler die Schaffung einer speziellen mikroskopischen Installation, in der ein temporärer Kristall von supraleitenden Qubits umgeben ist.
Der Quantencomputer sitzt in einem Kryostaten, einer temperaturgesteuerten Unterkühlungskammer, die alle Materialien auf der richtigen, extrem niedrigen Temperatur für fortgeschrittene Zustände wie supraleitende oder Wilczek-Kristalle hält.
Vielleicht werden in sehr naher Zukunft unglaublich schnelle und leistungsstarke Quantencomputer geschaffen
Laut Quanta Mafgazine werden die Schlussfolgerungen der Forscher bestätigt, dies wird die erste vollständig erfolgreiche Demonstration der Kristallzeit sein. Insgesamt sollte es keine Überraschung sein, dass Google den Weg zu leistungsstarkem Quantencomputing führt, und wir warten auf Peer-Review und weitere Forschung. Wer weiß, vielleicht werden Zeitkristalle und Quantencomputer wirklich viel verändern.