Der Zeitkristall aus Googles Quantencomputer

Zeitkristall klingt wie ein magischer Gegenstand aus einem Fantasy-Roman. Tatsächlich handelt es sich um ein theoretisches Konzept, das der US-amerikanische Physiker Frank Wilczek 2012 aufgestellt hat. Seine Inspiration war die Struktur von Kristallen. Sie bestehen aus ganz regelmäßig angeordneten Atomen. Wilczek stellte sich die Frage, ob nicht auch Objekte denkbar seien, die von selbst eine ständige, regelmäßige Zustandsänderung erfahren. In einer gewissen Periode kehren sie immer wieder zu einem Ursprungszustand zurück. Statt eines räumlichen Kristalls wäre dies also ein zeitlich stabiler Kristall.

Abkehr vom Ideal

In der Praxis ist solch ein Objekt kaum vorstellbar, es würde dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik widersprechen. Eine periodische Zustandsänderung geht demnach immer mit einem Energieverlust einher und kann zeitlich nicht unendlich lange aufrecht erhalten werden. Ein „Perpetuum Mobile“ etwa, eine Maschine, die ohne Energiezufuhr unendlich lange läuft, ist unmöglich.

Die Idee eines idealen Zeitkristalls wurde tatsächlich wieder verworfen, aber ein Sonderfall blieb: Der diskrete Zeitkristall, auch Floquet-Zeitkristall genannt. Dabei werden Teilchen durch eine externe Energiequelle angeregt, etwa mit einem Mikrowellen-Laser, und können dadurch ihre regelmäßigen Zustandsänderungen beibehalten. Erstaunlich ist, dass sie keine Energie von dem Laser absorbieren, sie erhitzen sich etwa nicht.

Erfolgreiches Experiment

In Simulationen konnte solch ein diskreter Zeitkristall erschaffen werden, später gelang dies auch in Experimenten. Nun hat ein internationales Forscher*innenteam es geschafft, mit Hilfe eines Google-Quantencomputers den bisher eindeutigsten diskreten Zeitkristall herzustellen. Mit dem Quantencomputer wurde ein so genanntes Vielteilchensystem aus 20 Qubits geschaffen. Dabei handelt es sich um miteinander wechselwirkende Quantensysteme, etwa Elektronen, die jeweils in einen eindeutigen Zustand von zwei möglichen gebracht wurden. Im Allgemeinen könnten diese Zustände zum Beispiel Spin (Magnetisierung) oder Polarisation sein, im Google-Experiment waren es Ladungsverteilungen in supraleitenden Schaltkreisen. Normalerweise würden sich die Zustände der Qubits aneinander anpassen, um ein Gleichgewicht herzustellen. Physiker*innen haben es jedoch aufgrund eines Phänomens namens „Vielteilchenlokalisierung“ geschafft, die Teilchen in ihren jeweiligen Zuständen zu stabilisieren. Man kann die Zustände der Teilchen dabei auch exakt umkehren. Damit erhält das Vielteilchensystem einen zweiten eindeutigen globalen Zustand.

Das Vielteilchensystem wurde nun mit einem Mikrowellen-Laser beschossen. Wie Messungen ergaben, wechselten sich die Zustände tatsächlich in rascher Folge ab. „Man kann sich das vorstellen, wie ein Gitter mit blauen und roten Kugeln, das es in zwei Konfigurationen gibt. Wenn ich das beobachte und das Bild blinkt zwischen den beiden Bildern hin und her, dann ist das ein Zeitkristall“, erklärt Quantenphysiker Marcus Huber vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Quantencomputer eignen sich besonders gut für die Herstellung von Zeitkristallen: „Damit kann man genau die Art von Wechselwirkungen der Teilchen einstellen, die man braucht.“

Bessere Quantencomputer

Das Experiment mit dem Google-Quantencomputer sei bisher dasjenige mit der höchsten Qualität, meint Huber. Was fängt man mit den Ergebnissen an? „Man muss ehrlich sein: Bisher ist noch keine Anwendung dafür bekannt“, sagt Huber. Physiker hoffen in erster Linie darauf, Vielteilchensysteme besser zu verstehen. „Das kann vielleicht zur Verbesserung von Quantencomputern beitragen. Vielleicht kann man durch die exakte periodische Zustandsveränderung auch besonders genaue Uhren bauen. Aber momentan ist das alles reine Spekulation.“

Google hat zuletzt betont, welche Probleme durch bessere Quantencomputer gelöst werden könnten. Mit ihnen könne man stärkere Batterien oder effizientere Pflanzenschutzmittel kreieren. Im Medizinbereich sei denkbar, Medikamente zu schaffen, um die nächste Pandemie zu stoppen, bevor sie überhaupt ausbricht.