Zeitkristalle, eine Romanze bis ans Ende der Welt

Autor: Sun Xiaobiao

Am 2. März veröffentlichte Science Advances einen Artikel: „Realisierung eines diskreten Zeitkristalls auf 57 Qubits eines Quantencomputers“. Philipp Frey und Stephan Rachel, Physiker an der Universität Melbourne, haben einen 57-Qubit-Zeitkristall auf dem Quantencomputer von IBM entworfen.

Tatsächlich hat sich Google im Juli 2021 mit einer Gruppe von Wissenschaftlern zusammengetan, um mithilfe seines eigenen Sycamore-Quantenprozessors einen 20-Qubit-Zeitkristall zu realisieren, und die Forschungsergebnisse in Nature veröffentlicht. Philip Frey und Stephen Raichle ist auf Basis der Forschungsergebnisse von Google ein großer Durchbruch gelungen und haben den bislang größten Zeitkristall entworfen. Die Bedeutung dieser Leistung liegt darin, dass sie die Fähigkeit von Quantencomputern demonstriert, komplexe Systeme zu simulieren und theoretische Modelle, die nur in den Köpfen der Physiker existieren, in objektive Entitäten umzuwandeln.

Abbildung | Google hat seine Forschungsergebnisse zu Zeitkristallen in Nature veröffentlicht (Quelle: nature.com)

Was ist ein Zeitkristall?

In „Die drei Sonnen“ gibt es ein wunderschönes Gedicht: Ich hielt ihr ein Geschenk hin, ein kleines Stück erstarrter Zeit mit wunderschönen Mustern darauf, und es fühlte sich so weich an wie seichter Meeresschlamm. In Science-Fiction-Werken ist die Zeit eine greifbare Größe, ein Geschenk an Liebende, das die Romantik zwischen zwei Menschen bewahrt, und diese Romantik wird bis zum Ende des Universums nicht verschwinden.

Zeitkristalle werden auch Raum-Zeit-Kristalle genannt. Es handelt sich um vierdimensionale Kristalle mit periodischen Strukturen in Raum und Zeit. Die drei Grundformen der Materie, mit denen wir in unserem täglichen Leben in Kontakt kommen, sind fest, flüssig und gasförmig. Mit der Entwicklung der Wissenschaft wurde jedoch auch das Konzept der Materieformen erweitert, beispielsweise um den Plasmazustand, den Bose-Einstein-Kondensatzustand, überkritische Flüssigkeiten usw. Zeitkristalle sind eine neue Form der Materie und auch eine Nichtgleichgewichtsphase, die die Zeittranslationssymmetrie durchbricht.

Das Konzept der Zeitkristalle wurde erstmals im Jahr 2012 vom Physik-Nobelpreisträger Frank Wilczek vorgeschlagen. Wir kennen Kristalle im dreidimensionalen Raum wie Eiswürfel, Diamanten usw. Ein Kristall ist eine geometrisch symmetrische Struktur, in der mikroskopisch kleine Partikel periodisch im Raum angeordnet sind. Während er seine Studenten unterrichtete, begann Wilczek darüber nachzudenken, ob es möglich sei, das Konzept dreidimensionaler Kristalle auf eine vierdimensionale Raumzeit auszuweiten, sodass Materie in der Dimension der Zeit periodisch angeordnet werden könnte. Das heißt, der Zeitkristall hat zu verschiedenen Zeiten unterschiedliche Zustände und die Änderung dieses Zustands erfolgt periodisch. Um ein einfaches Beispiel zu geben: Ein Zeitkristall kann in der ersten Sekunde weißer Zucker sein, in der zweiten Sekunde brauner Zucker und sich in der dritten Sekunde wieder in weißen Zucker verwandeln.

Bild | Frank Wilczek (Quelle: frankawilczek.com)

Bei dreidimensionalen Kristallen ist die räumliche Translationssymmetrie gebrochen. Analog dazu sollten auch Zeitkristalle eine gebrochene Zeittranslationssymmetrie aufweisen. Die sogenannte Symmetrie der Raumtranslation bedeutet, dass sich die Gesetze der Physik nicht ändern, wenn ein physikalisches System um eine beliebige Distanz in eine bestimmte Richtung im Raum translatiert wird. Einfach ausgedrückt: Wenn Sie das gleiche Experiment an verschiedenen Orten durchführen, erhalten Sie die gleichen Ergebnisse. Die Symmetrie der Zeittranslation besagt, dass dasselbe Experiment zu verschiedenen Zeiten durchgeführt werden kann und dieselben Ergebnisse erzielt werden.

Es gibt verschiedene Symmetriegrade, und ein Kreis hat einen höheren Symmetriegrad als ein Rechteck. Flüssiges Wasser ist isotrop, festes Eis ist anisotrop und die Symmetrie von Wasser ist höher als die von Eis. Dieser Prozess von hoher zu niedriger Symmetrie wird als Symmetriebrechung bezeichnet. Ein dreidimensionaler Kristall muss sich über eine Distanz einer ganzzahligen Zahl von Gitterkonstanten bewegen, um die gleiche räumliche Struktur aufzuweisen, und ein Raum-Zeit-Kristall benötigt ebenfalls eine bestimmte Zeit, um in seinen Ausgangszustand zurückzukehren. Das heißt, was Sie in ungeraden Sekunden wie 1, 3, 5 usw. sehen, ist weißer Zucker, und was Sie in geraden Sekunden wie 2, 4, 6 usw. sehen, ist brauner Zucker. Der Unterschied zwischen braunem und weißem Zucker liegt in der Aufhebung der Zeittranslationssymmetrie des Zeitkristalls.

Ein neues Perpetuum mobile?

Im Jahr 1918 schlug die deutsche Mathematikerin Emmy Noether das Noether-Theorem vor, das in der Physik von großer Bedeutung ist. Es besagt, dass jede Symmetrie einen entsprechenden Erhaltungssatz hat und umgekehrt. Die Translationssymmetrie des Raumes entspricht der Impulserhaltung, die Rotationssymmetrie des Raumes entspricht der Drehimpulserhaltung und die Translationssymmetrie der Zeit entspricht der Energieerhaltung. Zeitkristalle brechen die Zeittranslationssymmetrie, verletzen jedoch nicht das Gesetz der Energieerhaltung, da Zeitkristalle weder Energiezufuhr noch Energieabgabe haben.

(Quelle: Pixabay)

Ein Zeitkristall ist wie eine Uhr; Der Sekundenzeiger kehrt nach 60 Sekunden in seine Ausgangsposition zurück und dieser Zyklus wiederholt sich immer wieder. Allerdings erfordert die Drehung der Uhrzeiger eine externe Energiezufuhr, beispielsweise mechanische oder elektrische Energie, während Zeitkristalle keine externe Energiezufuhr benötigen, da sie sich im Grundzustand minimaler Energie befinden. Dies mag widersprüchlich erscheinen, aber Zeitkristalle können die Zeittranslationssymmetrie brechen, was bedeutet, dass sie ihren Zustand im Laufe der Zeit ändern, das heißt, sie befinden sich in einem Zustand ständiger Bewegung. Die kontinuierliche Bewegung eines Objekts weist auf eine zusätzliche Energiedissipation hin, bis die Energie erschöpft ist und das Objekt aufhört, sich zu bewegen.

Bei allgemeinen Systemen ist die Energie bei Bewegung höher als im Ruhezustand; Bei einigen speziellen Systemen ist die Energie jedoch während der Bewegung geringer als im Ruhezustand. Nach der Energiedissipation erreicht dieses System schließlich einen Grundzustand kontinuierlicher Bewegung, der als spontane Symmetriebrechung mit der Zeit bezeichnet wird.

Es gibt ein klassisches Beispiel für eine spontane Symmetriebrechung: Nehmen wir an, es gibt einen mexikanischen Hut und oben auf dem Hut liegt ein kleiner Ball. Wenn der Ball von der Oberseite des Hutes bis zur Krempe gleitet, ist die Wahrscheinlichkeit, dass er in jede Richtung fällt, gleich. Zu diesem Zeitpunkt weist das System Rotationssymmetrie auf. Sobald der Ball fällt, fällt er nur in eine Richtung, was die ursprüngliche Symmetrie des Systems zerstört. Die Zerstörung dieser Symmetrie ist nicht durch die Gesetze der Physik bedingt, sondern wird durch die Instabilität des Balls selbst verursacht, was eine spontane Symmetriebrechung darstellt.

Abbildung | Mexikanischer Hut (Quelle: Pixabay)

Diese Eigenschaften von Zeitkristallen klingen ein wenig nach Perpetuum mobile, aber für die Bewegung von Zeitkristallen ist keine externe Energiezufuhr erforderlich und ihre kinetische Energie kann nicht zur Nutzung abgegeben werden. Zeitkristalle sind also keine Perpetuum mobile. Da sich ein Zeitkristall in seinem Grundzustand ständig in Bewegung befindet, kann er zur Übertragung von Informationen verwendet werden. Wenn die Materie den absoluten Nullpunkt erreicht hat, befindet sich die umgebende Materie in einem stationären Grundzustand, während sich der Zeitkristall weiterhin in einem Grundzustand mit niedrigerer Energie bewegt. Wissenschaftler haben dazu eine wunderbare Idee. Wenn die Entropie des Universums weiter zunimmt und schließlich einen Zustand des Wärmetods erreicht, kann der Zeitkristall immer noch seine Bewegung aufrechterhalten, da er sich in einem Grundzustand mit niedrigerer Energie befindet.

Realisierung von Zeitkristallen

Ein theoretisches Modell von Zeitkristallen vorzuschlagen ist eine Sache, es umzusetzen eine andere. Das Konzept von Zeitkristallen wird von vielen Wissenschaftlern in Frage gestellt, da sie der Ansicht sind, dass deren Existenz unmöglich sei. Im Jahr 2016 entwarf Norman Yao von der University of California, Berkeley, einen detaillierten Bauplan zur Herstellung von Zeitkristallen. Yao vergleicht seinen Entwurf mit einer Brücke zwischen theoretischen Modellen und experimentellen Methoden.

Abbildung | Norman Yaos Artikel über die Methode zur Herstellung von Zeitkristallen (Quelle: journals.aps.org)

Basierend auf Yaos Blaupause stellten zwei Teams der University of Maryland und der Harvard University unabhängig voneinander Zeitkristalle her. Die beiden Teams verwendeten unterschiedliche Methoden, erzielten jedoch ähnliche Ergebnisse, die bestätigten, dass Zeitkristalle tatsächlich einen neuen Materiezustand darstellen.

Es ist darauf hinzuweisen, dass Zeitkristalle in kontinuierliche Zeitkristalle und diskrete Zeitkristalle unterteilt werden. Bei allen bisher realisierten Zeitkristallen handelt es sich um diskrete Zeitkristalle. Zeitkontinuierliche Kristalle sind schwer zu realisieren und werden derzeit kontrovers diskutiert.

Rachels Zeitkristall ist nicht perfekt; es kann derzeit nur 50 Zyklen überstehen. Zeitkristalle könnten künftig als Speicher in Quantencomputern eingesetzt werden. Obwohl Zeitkristalle nicht so Science-Fiction sind wie die Zeitsteine ​​in Marvel-Filmen, können sie vielleicht so romantisch sein wie das Gedicht in „Die drei Sonnen“: „Sie malte die Zeit auf ihren ganzen Körper, zog mich dann hoch und flog an den Rand der Existenz.“

Für Physiker ist die Entdeckung der Zeitkristalle wie die Entdeckung eines neuen Kontinents, wobei noch immer unklar ist, ob es sich bei diesem neuen Kontinent um fruchtbares Land oder eine Wüste handelt.

Es wird einige Zeit dauern, das Geheimnis der Zeitkristalle zu lüften.

Quellen:

[1]https://www.science.org/content/article/physicists-produce-biggest-time-crystal-yet

[2]https://www.scientificamerican.com/article/time-crystals-could-be-legitimate-form-perpetual-motion/

[3]https://www.sciencealert.com/scientists-have-just-announced-a-brand-new-form-of-matter-time-crystals

Quelle: Academic Headlines