QuTech creëert een tijdkristal

Het team rapporteert hun bevindingen in Science.

In de kristallen die we in ons dagelijks leven tegenkomen, zoals diamanten of tafelzout, vormen de atomen spontaan een stabiel zich herhalend patroon in de ruimte. Kan er iets soortgelijks gebeuren in de tijd?

Het idee van een tijdkristal werd in 2012 voor het eerst voorgesteld door natuurkundige en Nobelprijswinnaar Frank Wilczek. Het daaropvolgende debat leidde tot de voorspelling dat tijdkristallen zich kunnen vormen in periodiek aangedreven, op elkaar inwerkende kwantumsystemen. Het systeem wordt dan opgesloten in een stabiel patroon dat oscilleert tussen twee discrete toestanden. In zo’n discreet tijdkristal kan wanorde in de interne interacties voorkomen dat het systeem thermisch evenwicht bereikt of opwarmt. In theorie kan het voor altijd oscilleren zonder enige netto-absorptie van energie.

Een discreet tijdkristal bij QuTech

"We wilden een discreet tijdkristal bouwen met behulp van een van onze kwantumprocessors op basis van spins in diamant", zegt onderzoeker Joe Randall. "Deze spins vormen extreem goed geïsoleerde en individueel gecontroleerde kwantumbits die we kunnen programmeren om andere fysieke systemen te emuleren." In samenwerking met medewerkers van UC Berkeley en Element Six gebruikte het team negen kwantumbits en manipuleerde ze op precies de juiste manier om te voldoen aan de theoretische criteria om een ​​tijdkristal te vormen.

Wanneer ze zijn afgestemd op het juiste parameterregime, worden de spins aan elkaar vergrendeld in een periodiek inverterend patroon dat robuust is tegen verstoringen van het systeem. Belangrijk is dat het team vervolgens aantoonde dat het tijdkristal zich vormde vanuit allerlei begintoestanden. "Deze observatie van een robuuste respons voor alle beginnende staten was echt het rokende pistool voor die tijd dat kristal werd gestabiliseerd door wanorde in zijn interne interacties", zegt promovendus Conor Bradley. "Het is wat onze resultaten onderscheidt van eerdere onderzoeken."

Heel lang leven

Het tijdkristal dat door het team is gemaakt, leeft opmerkelijk lang: het duurt tot ongeveer 800 perioden, of ongeveer 8 seconden. "Hoewel een perfect geïsoleerd tijdkristal in principe voor altijd kan leven, zal elke echte experimentele implementatie vervallen door interactie met de omgeving", zegt Randall. "Het verder verlengen van de levensduur is de volgende grens."

Meer experimenteel bewijs

Slechts een maand nadat de onderzoekers hun gegevens openbaar maakten, meldde een team van Google, Stanford en anderen de realisatie van een discreet tijdkristal met behulp van een supergeleidende kwantumcomputer. "Het is buitengewoon opwindend dat er meerdere experimentele doorbraken tegelijkertijd plaatsvinden", zegt hoofdonderzoeker Tim Taminiau. "Al die verschillende platformen vullen elkaar aan. Het Google-experiment gebruikt twee keer meer qubits, ons tijdkristal leeft ongeveer tien keer langer." Inderdaad, theoriemedewerker Norman Yao van UC Berkeley gelooft dat dit nog maar het begin is: "Een tijdkristal is misschien wel het eenvoudigste voorbeeld van een niet-evenwichtsfase van materie. Het QuTech-systeem is perfect in staat om andere fenomenen die niet in evenwicht zijn, te onderzoeken, waaronder bijvoorbeeld de topologische fasen van Floquet."

Wat komt hierna?

Er blijven veel open vragen. Zijn er praktische toepassingen voor tijdkristallen? Wat zal worden waargenomen in hogere ruimtelijke dimensies? En, in het algemeen, hoe komen aangedreven kwantumsystemen in evenwicht? De spindefecten in vaste stoffen die door het team worden gebruikt, bieden een flexibel platform voor het experimenteel bestuderen van deze belangrijke open vragen in de statistische fysica. "De mogelijkheid om de spins van hun omgeving te isoleren en toch hun interacties te kunnen beheersen, biedt een geweldige kans om te bestuderen hoe informatie wordt bewaard of verloren", zegt Francisco Machado, een van de medewerkers van UC Berkeley. "Het zal fascinerend zijn om kijk wat er daarna komt.