Es gab schon immer bestimmte "Regeln der Straße", wenn es um unser Universum geht, und eine davon ist die Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik.
Dieses Gesetz besagt, dass, wenn Energie von einer Form in eine andere übergeht oder sich Materie frei bewegt, Entropie Unordnung in einem geschlossenen System nimmt immer zu. Die Entropie ist ein Maß für die Ausbreitung von Materie und Energie überall im Universum, zu der sie Zugang hat.
Der beste Weg, um Entropie zu verstehen, ist, wenn man sich meine Küche ansieht: Jeden Tag steht schmutziges Geschirr in der Spüle und die Arbeitsplatten sind mit verschiedenen Substanzen bedeckt. Jeden Tag wasche ich das Geschirr und reinige die Arbeitsplatten, wodurch ihre Entropie verringert wird, aberSchon am nächsten Tag ist die Spüle wieder voll mit schmutzigem Geschirr und die Theken sind bedeckt.
Dies war bis zum 29. Juli 2021 das Schicksal von allem in unserem Universum. Dann kamen Forscher hat einen Vorabdruck veröffentlicht auf der arXiv-Website mit dem Titel "Observation of Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor", die die Entdeckung von "Zeitkristallen" ankündigte. Ein Preprint ist eine wissenschaftliche Arbeit, die noch von Experten begutachtet oder offiziell veröffentlicht werden muss.Die Ergebnisse eines Preprints können in Frage gestellt oder sogar ganz umgeworfen werden.
Wenn Sie denken: "Was ist die große Sache, ich habe schon einmal von Zeitkristallen gehört", könnte dies daran liegen, dass sie ein fester Bestandteil der langjährigen Science-Fiction-Serie der BBC waren.Dr. Who. Tatsächlich die FanseiteDWLegacy-Wiki sagt: "Der sicherste Weg, um Zeitkristalle zu erhalten, ist, sie zu kaufen ... Sie werden in Bündeln von 1, 6, 13, 27 und 70 verkauft ..." In der realen Welt sind Zeitkristalle jedoch aetwas schwerer zu bekommen.
Was ist ein "Zeitkristall"?
Ein Zeitkristall ist ein Objekt, das aus einem Roman bestehtPhase aus Materie, die sich in einem regelmäßigen, sich wiederholenden Zyklus kontinuierlich und ohne Energieeinsatz bewegt. Einer der Entdecker der Zeitkristalle, Roderich Moessner, der seit kurzem Direktor des Max-Planck-Instituts für Physik komplexer Systeme in Dresden ist erzählt dem Quanta Magazin, dass bei Zeitkristallen "Sie dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ausweichen." Das ist eine ziemlich große Sache!
Zeitkristalle sind die ersten jemals geschaffenen Objekte, die spontan die "Zeit-Translations-Symmetrie" brechen. Eine Translation ist nur eine Bewegung von einem Ort zu einem anderen, sei es räumlich oder zeitlich. Bisher sollte ein stabiles Objekt, das sich durch die Zeit bewegt, bleibendas gleiche, aber Zeitkristalle nicht. Sie sind beidesstabil und im ständigen Wandel gleichzeitig.
Zeitkristalle sind eigentlich neuPhase der Materie. Bisher sind die vier Phasen der Materie, die alle von der Temperatur abhängig sind: fest, flüssig, gasförmig und Plasma.
In der Festphase sind die Moleküle eines Objekts eng miteinander verbunden und das Volumen eines Festkörpers wird durch seine Form bestimmt.
In der flüssigen Phase sind die molekularen Kräfte schwächer als in der festen Phase, aber eine Flüssigkeit hat immer noch ein festes Volumen und nimmt die Form ihres Behälters an.
In der Gasphase sind die molekularen Kräfte sehr schwach und ein Gas nimmt sowohl die Form als auch das Volumen seines Behälters an.
Die Plasmaphase tritt nur bei sehr hohen Temperaturen und Drücken auf, wenn Elektronen aus ihren Bahnen um einen Atomkern gerissen werden und ein positiv geladenes Ion hinterlassen. Es entsteht eine Mischung aus neutral geladenen Atomen, negativ geladenen freien Elektronen und positivgeladene Ionen. Dieses Gemisch oder Plasma reagiert auf elektromagnetische Kräfte und erzeugt sie.
In den vier Phasen sind Atome in den niedrigsten Energiezustand eingesperrt, der von der Umgebungstemperatur zugelassen wird, und sie ändern sich nicht im Laufe der Zeit. Ein Zeitkristall ist die erste Phase der Materie, die nicht im Gleichgewicht ist, währendstabil, befindet sich auch in einem sich entwickelnden Zustand.
Dr. Who oder Dr. Wilczek?
Zeitkristalle wurden erstmals 2012 von dem mit dem Nobelpreis ausgezeichneten MIT-Professor vorgestelltFrank Wilczek der damals eine Klasse über reguläre Kristalle unterrichtete. In regulären Kristallen einzelne Atome bevorzugt an einem bestimmten Punkt im Raum zu sein, und Beispiele sind das Salz in Ihrem Salzstreuer und Schneeflocken.
Wilczek begann zu überlegen, wie sich Kristalle im Laufe der Zeit verhalten könnten, wobei einige von ihnen eine periodische Bewegung durchmachen und dann in ihre ursprüngliche Konfiguration zurückkehren. Die interessanteste Idee in Wilczeks Zeitkristallidee war, dass Zeitkristalle trotz ihrer Bewegung keine Energiezufuhrund ihre Bewegung würde auf unbestimmte Zeit fortgesetzt, genau wie ein Perpetuum Mobile.
Bis 2014 wurde Wilczeks Zeitkristallkonzept von Haruki Watanabe und Masaki Oshikawa in einem Papier mit dem Titel „Absence of Quantum Time Crystals“ niedergeschossenvon 'Zeitkristallen' als Phasen, die die kontinuierliche Zeittranslation spontan in eine diskrete Untergruppe aufbrechen ... hier präsentieren wir zunächst eine Definition von Zeitkristallen basierend auf den zeitabhängigen Korrelationsfunktionen des Ordnungsparameters. Wir beweisen dann ein No-GoSatz, der die Möglichkeit von Zeitkristallen ausschließt, die als solche definiert sind, im Grundzustand oder im kanonischen Ensemble eines allgemeinen Hamilton-Operators, der aus nicht zu weitreichenden Wechselwirkungen bestehtder "No-Go"-Teil.
2015 veröffentlichte dann ein Doktorand der Physik in Princeton namens Vedika Khemani zusammen mit Moessner, Shivaji Sondhi, der Khemanis Ph.DZeitkristalle, und es löste ein fünfjähriges Rennen zwischen Khemanis Gruppe und einer anderen Gruppe von Physikern aus, um den ersten Zeitkristall zu schaffen. Aber keine ihrer Bemühungen war erfolgreich, und da kamen Khemani und seine Firma auf die Idee, sich an Google zu wenden.
Ahorn betreten
2019 hat der Quantencomputer Sycamore von Google eine Aufgabe in 200 Sekunden erledigt, für deren Lösung ein gewöhnlicher Computer 10.000 Jahre gebraucht hätte. Danach konnten die Wissenschaftler den normalen Computer intelligenter machen, damit es nicht so lange dauertedas gleiche Problem lösen. Es war gut, dass Sycamore dieses Problem gelöst hat, weil es bis zu diesem Zeitpunkt nicht allzu erfolgreich war. Sycamore war immer noch zu fehleranfällig, um kryptografische oder algorithmische Probleme zu lösen, also als Google Scholar Kostya Kechedzhi wurde von Khemani und ihrem Team angesprochen, er war begeistert, seine Maschine als wissenschaftliches Werkzeug einzusetzen, um neue Physik oder Chemie zu studieren.
Im Herbst 2014 hatte Khemani sich Sondhi angeschlossen, der ein Sabbatical am Max-Planck-Institut in Dresden, Deutschland, verbrachte. Dort begannen Khemani und Sondhi, sich die Arbeit des Nobelpreisträgers anzusehen.Philip Anderson, speziell auf einem Gebiet der Quantenmechanik namens Anderson-Lokalisierung. Dabei handelt es sich um ein Elektron, das man sich normalerweise als Welle vorstellen kann, die sich über die Zeit ausbreitet. Je höher die Amplitude der Welle an bestimmten Stellen, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, das Elektron an dieser Stelle zu finden.
Anderson hatte entdeckt, dass ein zufälliger Defekt innerhalb eines Kristallgitters dazu führen kann, dass sich die Welle eines Elektrons auflöst, wodurch es mit sich selbst interferiert. Dies bedeutete, dass die Welle überall außer an einem sehr kleinen Ort ausgelöscht wurde. Dann ein Teaman den Universitäten Princeton und Columbia festgestellt, dass mehrere Partikel auch in einem ähnlichen festen Zustand stecken bleiben können.
Auch am Max-Planck-Institut, zusammen mit Khemani und Sondhi, waren Moessner und Lazarides, die Kristalle mit einem Laser "kitzelten". Die vier erkannten schnell, dass wenn sie eine lokalisierte Teilchenkette auf eine bestimmte Weise kitzelten, die Spins der Teilchen ständig zwischen zwei Zuständen hin und her springen würden, und ohne Energie vom Laser zu absorbieren.
Die Gruppe veröffentlichte ihre Ergebnisse und nannte die neue Entität eine "Pi-Spin-Glas-Phase", aber es brauchte einen Rezensenten des Artikels, um zu erkennen, dass es sich tatsächlich um Zeitkristalle handelte. Im März 2016 veröffentlichte die andere Gruppe von PhysikernChasing Time Crystals, bestehend aus Chetan Nayak, jetzt von Microsoft Station Q und der University of California, Santa Barbara, Dominic Else und Bela Bauer, veröffentlichten einen Artikel, der Floquet time-Kristalle.
Letzten Monat berichtete diese Gruppe in der ZeitschriftWissenschaft dass sie "präthermische" Zeitkristalle geschaffen hatten, die nicht ewig laufen würden und stattdessen ins Gleichgewicht kommen würden. Da erkannten Moessner und Co., dass Sycamore alles hatte, was sie brauchten, um einen Zeitkristall zu schaffen, der seinen Zustand ständig ändert und nicht benötigtjegliche Energiezufuhr.
Wie alle Quantencomputer besteht Sycamore aus "Qubits", das sind Quantenteilchen, die sich gleichzeitig in zwei möglichen Zuständen befinden können. Die Qubits von Sycamore sind supraleitende Aluminiumstreifen, die die Google-Ingenieure programmiert haben, um den Spin eines Teilchens zu simulieren – entweder nach oben oder nach unten gerichtet.
Durch die Abstimmung der Stärke der Wechselwirkungen zwischen den Qubits wurde destruktive Interferenz eingeführt, die derjenigen entsprach, die durch zufällige Defekte innerhalb eines Kristalls erzeugt wird, und die 20 Qubits fixierten sich in einer festgelegten Ausrichtung. Die Forscher kitzelten dann das System mit Mikrowellen, was dazu führte, dass das System zwischen zwei "lokalisierten Vielteilchenzuständen" hin und her kippte; die Spins absorbierten weder Energie von den Mikrowellen noch gaben sie diese ab, wodurch die Unordnung oder Entropie des Systems unverändert blieb.
In ähnlicher Weise wie die Infinitesimalrechnung gleichzeitig und unabhängig von entdeckt wurdeIsaac Newton und Gottfried Wilhelm Leibniz, am 5. Juli 2021 — wohlgemerkt, die beiden hatten eine harte Rivalität — Ein drittes Forscherteam der Technischen Universität Delft in den Niederlanden berichtete, dass auch sie einen Zeitkristall gebaut hatten, diesmal in einem Diamanten.
Eine Verwendung für Zeitkristalle
Während ein Zeitkristall die erste Phase der Materie außerhalb des Gleichgewichts ist, könnten noch viel mehr möglich sein. Obwohl Albert Einstein machte Fortschritte bei der Vereinigung von Raum und Zeit in das, was wir heute "Raumzeit" nennen, die Tatsache bleibt, dass die Zeit immer noch grundlegend anders ist, indem sie nur in eine Richtung fließt.
Was die möglichen Verwendungen für Zeitkristalle angeht, weisen die Qubits in Quantencomputern eine Überlagerung auf, dh sie können in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren. Das bedeutet, dass Daten in einen Quantencomputer eingegeben, darin gespeichert oder von ihm ausgegeben werdenändert sich je nachdem, wann sie beobachtet werden. Durch die Erzeugung von Zeitkristallen in Quantenbits würden diese Daten konsistent sichtbar gemacht. Mit anderen Worten, es würde den Benutzern ermöglichen, genau die Daten anzuzeigen, die sie benötigen, mit hoher Wahrscheinlichkeit, dass sie korrekt sind.
Persönlich denke ich, dass Kristalle am besten in meiner Küche genutzt werden können, wo es in einem Zustand schmutziges Geschirr und unordentliche Arbeitsplatten gibt und in dem anderen Zustand beide sauber wären. Und das Beste von allem würde ichmuss nichts machen.