Tijdkristallen, tijdkristallen onderzoek

[Anna @akrasko97]

Tijdkristallen verlaten binnenkort het lab

Bron: https://www.newscientist.nl/nieuws/tijdkristallen-verlaten-binnenkort-het-lab/

Bron: E. Edwards/JQI
Tijdkristallen kunnen bestaan bij kamertemperatuur, in een systeem dat niet geïsoleerd is van zijn omgeving. Dat hebben wetenschappers voor het eerst aangetoond. Dit brengt toepassingen in ‘de echte wereld’ dichterbij.

De meeste mensen hebben wel een idee wat kristallen zijn. Je komt ze tegen in je keuken in de vorm van zout- en suikerkristallen. Of misschien denk je eerder aan een diamant of amethist. In deze kristallen zijn de deeltjes waar ze uit bestaan gerangschikt in een regelmatig patroon in de ruimte. Tafelzout bestaat bijvoorbeeld uit netjes op elkaar gestapelde kubusjes. Dit soort kristallen worden ook wel ruimtekristallen genoemd.

In 2012 stelde natuurkundige Frank Wilczek kristalstructuren voor die geen patroon in de ruimte vormen, maar in de tijd. Bij deze zogeheten tijdkristallen gaat het niet om regelmatig gerangschikte atomen, maar om deeltjes die regelmatige, herhalende bewegingen maken.

Je hoeft geen energie toe te voegen om zo’n tijdkristallen te behouden. Je hebt enkel energie nodig om ze op gang te brengen, daarna kunnen ze zelfstandig eeuwig blijven bewegen. Dit is meer dan alleen een wild idee van Wilczek. Het bestaan van tijdkristallen is sindsdien aangetoond in experimenten.

Geïsoleerde tijdkristallen
Deze eerdere experimenten zijn uitgevoerd in geïsoleerde systemen – meestal bij een extreem lage temperatuur – om verstoringen van buitenaf te vermijden. Dit leverde complexe experimentele opstellingen op, met grote tafels vol lasers en vacuüm- en elektronische apparatuur.

Wetenschappers werken nu aan drastisch vereenvoudigde opstellingen, zodat tijdkristallen ook buiten een gespecialiseerd laboratorium kunnen bestaan. Dit is nodig om ze te kunnen toepassen, bijvoorbeeld voor toekomstige quantumtechnologie, zoals quantumcomputers, of nauwkeurige tijdmetingen.

Tijdkristal bij kamertemperatuur
Een onderzoeksgroep met Amerikaanse en Poolse wetenschappers heeft nu een belangrijke stap gezet. ‘Als je experimentele systeem energie-uitwisseling heeft met zijn omgeving [bijvoorbeeld in de vorm van warmte], dan kan dat de ordelijke, regelmatige beweging verstoren’, zegt hoofdauteur Hossein Taheri van de universiteit van Californië, Riverside. ‘In onze opstelling vindt het systeem een balans tussen energie-winst en -verlies om zo tijdkristallen te creëren en te behouden.’

De technische details
Hun opstelling bestaat uit een een schijfvormige, zogeheten optische resonator van magnesiumfluoride met een diameter van twee millimeter. Hierop richten de onderzoekers twee lasers met verschillende frequenties. In de resonator ontstaan daardoor een reeks optische solitonen. Een soliton is een op zichzelf staande golf, die over lange afstanden kan reizen zonder van vorm te veranderen. De solitonen bewegen rond de rand van de resonator en worden op hun plek gehouden door de twee lasers. Als de boel precies goed is afgesteld, kan er een optische tijdkristal in het systeem ontstaan.

De onderzoekers hebben aangetoond dat hun systeem weinig last heeft van verstoringen van buitenaf en lange tijd stabiel blijft.

‘Ik denk dat deze publicatie een zeer belangrijke doorbraak beschrijft in experimenteel tijdkristalonderzoek’, mailt Peter Hannaford van de Australische Swinburne-universiteit. ‘Het experiment werkt bij kamertemperatuur en kan worden verkleind tot een computerchip en vereenvoudigd voor toepassingen in de echte wereld.’ Deze ontwikkeling betekent dat tijdkristallen eindelijk hun veilige, maar complexe lab-omgeving kunnen verlaten.

[Anna @akrasko97]

Woah, Scientists Just Created the World’s Largest Time Crystal
Here’s how the breakthrough brings us one step closer to a functional quantum computer.

( BY CAROLINE DELBERT,   MARCH 14, 2022)  Source: https://www.popularmechanics.com/science/a39417227/largest-time-crystal/

https://hips.hearstapps.com/hmg-prod.s3.amazonaws.com/images/digital-composite-image-of-illuminated-alarm-clock-royalty-free-image-1647272843.jpg?crop=1.00xw:1.00xh;0,0&resize=980:*

– A record 57 quantum bits have formed a working time crystal for 50 charge cycles.
 – Scientists in Australia demonstrated the time crystal using quantum computing.
 – Time crystals are special cases of matter that behave without using energy.

Scientists at the University of Melbourne have created the largest time crystal to date by programming one into a simulation in a quantum computer with 57 qubits—the quantum equivalent of a binary bit in a regular computer. That represents an improvement of nearly a factor of three over the last such groundbreaking simulation, as detailed in newly published research in the peer-reviewed journal Science Advances.

But what does the largest-ever time crystal really mean in the context of quantum computing?

First, we should define some terms. Quantum computing is an arm of quantum mechanics, which is a way of understanding the world on the scale of electrons. Seen extremely close up, atoms and their particles act a certain way when they’re observed versus when they’re just going about their normal activities. Think of it as physicist Sean Carroll puts it in his book The Big Picture: quantum mechanics is like an opponent’s hidden poker hand. They can say they’ve won, but you don’t know exactly what they have until they turn over their cards.

Time crystals are a special case of quantum mechanics first conceived of ten years ago, Science reports, when Nobel Prize winner and theoretical physicist Frank Wilczek wondered if the patterns of atoms that form crystals could somehow take place in time rather than space. What if time could arrange itself in the same, almost unfathomably orderly way, as the atoms do within an elemental crystal?

One of the major upsides to the theoretical time crystal is that, as conceived by Wilczek, they don’t use any energy as the electrons change around in time itself. This results in a special phase of matter that appears to violate Newton’s first law of motion, putting time crystals in the same category as superconductors. These are materials under special conditions—like supercooling matter close to absolute zero—where they lose all resistance as they pass electrons around. Superconductors are also a quantum phenomenon.

Although Wilczek conceived of time crystals in 2012, it took until 2016 for someone to mock up the concept in real life. At that time, scientists realized they could use qubits (artificial particles linked with quantum phenomena) to simulate what researchers were calling time crystals. From there, they were off to the races, arranging small amounts of qubits into time crystal configurations and then adding more and more qubits.

Now you’re all caught up. In their experiments, the University of Melbourne scientists used remote computing to access an IBM quantum computer in the United States. (Think of this when anyone says you can’t work remotely!) They were able to make changes to individual qubits in the system, and then use strong magnetic pulses to reunify the field into one large acting time crystal. The system was also seemingly immune to lesser magnetic pulses, meaning the crystal only interacted in this way when the scientists really wanted it to—not with just any whimsical pulse. Like a hanging chad, we want the system to avoid almosts and halfways.

[Auteur]

Berichten