In een quantumcomputer van Google is een tijdkristal gecreëerd. Deze unieke fase van materie kan in theorie eeuwig tussen twee toestanden schakelen zonder dat daar energie voor nodig is.
De ontdekking is een van de eerste problemen in de echte wereld die door een quantumcomputer zijn opgelost. Tijdkristallen zouden ook kunnen worden gebruikt om quantumcomputers te verbeteren.
Verloren symmetrie
Een kristal kan zich vormen uit een materiaal wanneer de componenten stabiele, zich herhalende patronen vormen. Hoewel dat klinkt als een heel symmetrische toestand, is er eigenlijk juist sprake van verlies van symmetrie. Als je namelijk op kleine schaal door het oorspronkelijke materiaal zou bewegen, ziet dat er steeds hetzelfde uit, ongeacht de afstand die je aflegt. In het zich herhalende patroon van een kristal moet je daarentegen een vaste afstand afleggen om op hetzelfde punt in het patroon terecht te komen en dus dezelfde omgeving te zien als eerst.
In 2012 stelde natuurkundige Frank Wilczek van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) voor dat, aangezien de algemene relativiteitstheorie tijd definieert als een vierde dimensie, een materiaal in plaats van ruimtelijke ook tijdssymmetrie zou kunnen verliezen. Zo’n tijdkristal zou steeds heen en weer bewegen tussen twee toestanden zonder energie te verbruiken of te verliezen. Het zou herhalende patronen hebben in de tijd, in plaats van in de ruimte.
Perpetuum mobile
Wilczek geeft toe dat dit idee van eeuwigdurende beweging aanvoelt alsof het in strijd zou moeten zijn met de wetten van de thermodynamica. Volgens hem komt dit echter alleen maar doordat de wetenschappers die ze lang geleden opstelden ‘zich niet bewust waren van alle subtiliteiten die zich openen’ in de wereld van de quantummechanica die wrijvingsloze systemen en andere ongewone fenomenen kunnen creëren. Hij geeft toe dat hij in de jaren na zijn hypothese een boel te verduren heeft gehad van mensen die dachten dat hij een perpetuum mobile beschreef.
Maar het concept werd al snel aannemelijker. Verschillende teams hebben de afgelopen jaren beweerd een tijdkristal te hebben gemaakt. Nu heeft een groep onderzoekers van onder meer Google, de Stanford-universiteit en het MIT de quantumcomputer Sycamore van Google gebruikt om te komen tot wat volgens Wilczek een tijdkristal is dat beter voldoet aan de strikte definitie van zo’n object dan ooit tevoren.
Deel processor wordt tijdkristal
Het Google-team gebruikte een reeks van twintig quantumbits of qubits in Sycamore om een reeks gegevens met willekeurige spinpatronen weer te geven. Deze waardes werden vervolgens nauwkeurig uitgebalanceerd met behulp van een techniek genaamd many body localization (‘veel-lichaamplaatsbepaling’). Daarbij bevriest interferentie tussen deeltjes ze op hun plaats, zelfs wanneer ze de neiging zouden hebben uit elkaar te drijven als gevolg van thermisch evenwicht.
De onderzoekers toonden aan dat de qubits in deze delicate toestand spontaan gezamenlijk hun spin omkeerden om een nieuw gegevenspatroon te creëren en vervolgens steeds weer terugkeerden naar hun oorspronkelijke toestand. Zo was een deel van de quantumprocessor een tijdkristal geworden, stellen de onderzoekers.
Foutmodus voor quantumcomputer
Wilczek zegt dat het goed is om zijn hypothese experimenteel tot leven te zien komen. ‘Het is zeker een mijlpaal in het vakgebied’, zegt hij. ‘En ik denk zelfs dat het in sommige opzichten een mijlpaal is voor quantumrekenen. Ik denk dat dit het eerste redelijk natuurlijke probleem is dat een quantumcomputer daadwerkelijk heeft helpen oplossen.’
De natuurkundige grapt dat het experiment in zekere zin te vergelijken is met een traditionele computer die per ongeluk in een oneindige lus terechtkomt en crasht. Tijdkristallen zijn dan te zien als een ‘interessante foutmodus’ voor quantumcomputers.
Uiterst gevoelig
Wilczek denkt dat tijdkristallen quantumcomputers betrouwbaarder en nauwkeuriger zouden kunnen maken. Hij vermoedt echter dat ze eerder zullen worden gebruikt als zeer nauwkeurige meetinstrumenten, omdat hun stabiliteit zo delicaat is.
‘Zij kunnen heel, heel gevoelig zijn voor bepaalde externe velden. Daardoor kunnen ze ons in principe nieuwe soorten uiterst gevoelige apparaten opleveren,’ zegt hij. Dergelijke sensoren zouden te gebruiken zijn bij allerlei elektrische en magnetische experimenten.
