Haben Physiker wie behauptet ein Portal zur Extra-Zeit-Dimension geöffnet?

Bei Wissenschaftlicher Amerikaner, uns wurde gesagt letzten Monat: „Physiker haben eine verblüffende Fehlerkorrekturtechnik entwickelt, die die Leistung von Quantencomputern dramatisch steigern könnte“:

„Es ist sehr spannend, diese ungewöhnliche Phase der Materie in einem realen Experiment realisiert zu sehen, insbesondere weil die mathematische Beschreibung auf einer theoretischen ‚zusätzlichen‘ Zeitdimension basiert“, sagt Teammitglied Philipp Dumitrescu, der am Flatiron Institute in New York war Stadt, als die Experimente durchgeführt wurden. Ein Artikel, der die Arbeit beschreibt, wurde am 20. Juli in Nature veröffentlicht.

Ein Portal zu einer zusätzlichen Zeitdimension zu öffnen – auch nur zu einer theoretischen – klingt aufregend, war aber nicht der ursprüngliche Plan der Physiker. „Wir waren sehr motiviert zu sehen, welche neuen Arten von Phasen geschaffen werden könnten“, sagt der Co-Autor der Studie, Andrew Potter, ein Quantenphysiker an der University of British Columbia. Erst nachdem sie sich ihre vorgeschlagene neue Phase vorgestellt hatten, erkannten die Teammitglieder, dass sie dazu beitragen könnte, Daten, die in Quantencomputern verarbeitet werden, vor Fehlern zu schützen.

Zeeya MeraliNeue Phase der Materie öffnet Portal zur Verlängerungsdimension” bei Wissenschaftlicher Amerikaner (26. Juli 2022)

Also Zeitreise? Nicht wirklich. Der Physiker Philipp Dumitrescu und Kollegen (the Papier erfordert eine Gebühr oder ein Abonnement) untersuchten Materiephasen und erkannten, dass eine davon als Fehlerkorrekturtechnik für Quantencomputer verwendet werden könnte. Sie verwendeten eine Pulsfrequenz, die weder periodisch noch zufällig war, sondern der folgte Fibonacci-Folge von Zahlen.

Experimentalphysiker Rob Sheldon bietet eine Erklärung:

Ein Arbeiter im Inneren des DIII-D-Vakuumgefäßes
während einer Wartungsperiode in 2017/
rswilcox 2017 (CC BY-SA 4.0)

Sie konstruieren „Zeitkristalle“, in denen sich bewegende Atome nach einiger Zeit wieder an die gleiche Position zurückkehren.

Ein einfaches Beispiel ist, zwei Pendel mit einer Feder zu verbinden und in Bewegung zu versetzen. Nach einer Weile kommt das eine Pendel zur Ruhe und das andere schwingt wild. Doch dann setzt sich der stehende in Bewegung und schwingt wild, während der erste stoppt. Das geht einige Zeit so.

Wenn wir ein Diagramm mit der Zeit auf der x-Achse und den Positionen von zwei Pendeln auf der y-Achse erstellen, wiederholt sich das Muster mit der Zeit. Dies ist ein Beispiel für einen „Zeitkristall“. Die Forscher wollten dies für 11 Atome in einem Quantencomputer tun, die als „Qubits“ oder Quantenzustände fungierten. Sie können sich das also als 11 Pendel vorstellen, die durch Federn verbunden sind. Aber die „Federn“ sind eigentlich zwei Laserstrahlen, die sie herumschieben.

Der Grund für diese Anordnung ist, dass wir die 11 Atome in einer kohärenten Wellenfunktion „verschränken“ müssen, um eine Quantenberechnung durchzuführen. Aber die kleinsten Störungen „stören“ den verschränkten Zustand und zerstören ihn oder „dekohären“ ihn in zufällige, unkoordinierte Bewegungen.

Um einen Quantencomputer jedoch nutzbar zu machen, muss der verschränkte Zustand lange genug anhalten, um eine Berechnung durchzuführen und ausgelesen zu werden. Die Störungen waren zu stark, sodass der verschränkte Zustand zu schnell „zerfiel“, um nützlich zu sein.

In den letzten zehn Jahren erkannten die Menschen, dass man diese verschränkten Zustände „digitalisieren“ kann, indem man sie um einen Kristall oder eine physikalische Symmetrie wickeln lässt. Dann haben, wie in Bohrs Elektronenmodell des Atoms, nur sehr wenige Wellen die richtige „Größe“ (oder Energie), um sich um ein Objekt zu wickeln und die Enden zusammenzubringen. Es ist wie ein Springseil. Sie können Wellen von 1/2 Wellenlänge mit einem Springer haben (das ist der normale) oder mit talentierten Seilführern doppelt so viele für zwei Springer. Aber Sie können keine 0,75 Wellenlängen und 1 1/2 Jumper haben. Es muss sogar herauskommen.

Dieser Effekt verwandelt matschige Wellen in digitalisierte Einheiten von 1/2 Wellenlängen. Es ist ein „topologischer“ Effekt, Wellen in ein Paket zu packen, das sie in ganze Zahlen umwandelt. So entsteht das „Quantum“ in der Quantenmechanik (QM).

Was Physiker in den letzten drei Jahrzehnten erkannt haben, ist, dass dies sowohl für große Atomgruppen als auch für Bohrs einzelnes Atom gilt. Es gibt Wellen, die sich um eine Million Atome oder sogar eine Billion Atome winden, aber an den Enden zusammenpassen müssen. Dies ermöglicht es, (mit Siliziumätzen) makroskopische (für das Auge sichtbare) Formen mit unterschiedlichen, quantisierten Wellenfunktionen zu konstruieren, die als „topologische“ Zustände bezeichnet werden.

Bei einer solchen Wellenfunktion haben kleine Störungen nicht genug Schwung, um den verschränkten Zustand auf eine andere Umhüllungszahl (höhere Energie) zu bringen. Der topologische Zustand ist also sehr stabil und robust. Das gibt dem Quantencomputer die nötige Stabilität, um Berechnungen auf Qubits durchzuführen.

So begann das Experiment: Sie nahmen 11 Atome, verbanden die Federn und stellten einen Zeitkristall mit topologischer (zeitlicher) Symmetrie her. Wenn es hilft, stellen Sie sich die zwei Dimensionen eines Donuts als Polar- und Azimutwinkel vor, die zum Anfang zurückkehren. Nun, für einen Zeitkristall haben die Pulse der beiden Laser Zeitverzögerungen, sogenannte Phasen, die auch zum Anfang zurückkehren. Also machen wir einen „Donut“-Zeitkristall.

Ihr Zeitkristall funktionierte nicht. Die Ergebnisse waren ein Mischmasch. Zu viele Störungen „resonierten“ mit der Zeit oder Phase des Kristalls und verdarben den Effekt. Also beschlossen sie, die Größe zu verlängern. Wenn es Raum wäre, würden sie sich von Mikrometern auf Meter Größe ausdehnen, aber da sie Zeitkristalle verwenden, ist ihre „Größe“ eine wirklich lange Wiederholungszeit. Bei Kernfusions-Tokomaks ist dies der „Wicklungswinkel“ um den Donut-Torus. Wenn es richtig gewählt wird, hält es die Wasserstoffionen davon ab, eine Umlaufbahn zu wiederholen, da sie den gesamten möglichen Bereich des Donuts dicht füllen, wie ein aufgewickelter Faden auf einer Spule.

Dies bedeutet, dass eine Beule oder Unvollkommenheit in den Wänden des Tokamak-Donuts – a tokamak ist eine ringförmige Vakuumkammer – wirkt nur einmal auf ein Wasserstoffatom und schwingt nicht mit oder fügt bei jeder Umlaufbahn Störungen hinzu. Mit zwei Lasern stellten sie also einen Zeitkristall her, bei dem die Phasen oder das Timing von zwei Laserimpulsen den zeitlichen „Wicklungswinkel“ anpassten. Als sie diese „Long Repeat“-Verpackungswinkel fanden, stellten sie fest, dass ihre verschränkten Zustände viel länger anhielten, was einen Quantencomputer mit Atomen für Qubits möglich machte.

Sie fanden eine nützliche Fehlerkorrekturtechnik, die bei der Entwicklung von Quantencomputern helfen könnte, aber nicht wirklich ein Portal zu einer zusätzlichen Zeitdimension ist. Dafür brauchen wir Science-Fiction.


Vielleicht möchten Sie auch lesen: Selbst wenn eine Zeitmaschine dich nicht getötet hat, es würde nicht viel ändern. Hier sind einige interessante Überlegungen von Wissenschaftsfans zu Zeitmaschinen, wie sie in den Filmen zu sehen sind. Sind sie überhaupt möglich? Wenn Zeitmaschinen möglich wären, die uns beliebig weit in die Vergangenheit oder Zukunft bringen würden, würden sie suggerieren, dass wir in einem fatalistischen Universum leben.

Newsletter

Leave a Reply

Your email address will not be published.

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.