Materie setzt die Regeln außer Kraft

Das ist nicht nur bloße Nabelschau im Labor. Seit Jahrzehnten ist "Rauschen" das größte Hindernis im Wettlauf um einen funktionsfähigen Quantencomputer. Quantenbits, oder Qubits, sind bekanntermaßen extrem empfindlich. Wenn sie durch eine winzige Erschütterung oder einen minimalen Wärmeschub gestört werden, verlieren sie ihre Daten und das gesamte System stürzt ab. Powells Entdeckung dieser "Floquet"-Zustände legt nahe, dass wir Materialien erschaffen können, die gegenüber diesem Chaos praktisch immun sind. Indem Physiker das Material in einem konstanten Zustand rhythmischer Veränderung halten, erzeugen sie eine Stabilität, die statische Materie schlicht nicht bieten kann.

Der magnetische Stroboskopeffekt

Um zu verstehen, was Powell und sein Kollege Louis Buchalter erreicht haben, muss man aufhören, Materie als einen festen, unveränderlichen Klumpen zu betrachten. Normalerweise ist ein Kristall wie ein Standbild. Die Atome sitzen in ihren Reihen, die Elektronen flitzen umher, und das Ganze bleibt an Ort und Stelle. Doch Powells Team nutzte eine Technik namens Floquet-Engineering. Stellen Sie es sich wie ein Stroboskop in einem dunklen Club vor. Wenn das Licht aus ist, können Sie die Tänzer nicht sehen. Wenn es in einer bestimmten Frequenz flackert, scheinen sich die Tänzer in Zeitlupe zu bewegen oder sogar mitten in der Luft stillzustehen.

Das Schöne an diesem Ansatz ist die Kontrolle. In der klassischen Materialwissenschaft muss man ein anderes Gestein finden, wenn man eine andere Eigenschaft benötigt. Sie wollen etwas Leitfähigeres? Nehmen Sie Kupfer. Sie wollen etwas Magnetisches? Nehmen Sie Eisen. Mit Floquet-Engineering verändert man nicht das Gestein; man verändert den Takt. Durch die Anpassung der Frequenz des Magnetfeldes können Forscher spezifische Quanteneigenschaften im laufenden Betrieb einstellen. Es verwandelt das Material in eine programmierbare Leinwand.

Die Jagd nach dem Geist eines Photons

In einem speziellen Kristall namens Cer-Zirkonium-Oxid beobachtete Dais Team etwas, das wie Science-Fiction klingt: emergente Photonen. Normalerweise sind Photonen Lichtteilchen, die sich durch das Vakuum des Weltraums bewegen. Doch hier tauchten sie plötzlich aus einem festen Kristall auf. Es sind nicht die Photonen, die von der Sonne stammen; es sind "geisterhafte" Versionen, die aus dem kollektiven Tanz der Atome innerhalb des Materials entstehen.

Diese Entdeckung bestätigt, dass wir innerhalb von Festkörpern Umgebungen schaffen können, die die grundlegenden Gesetze des gesamten Universums nachahmen. Es ist, als hätte man eine Miniaturversion des Kosmos in einem Edelstein gefangen. Für das Quantencomputing ist das eine Goldgrube. Diese emergenten Teilchen sind "fraktioniert", was bedeutet, dass es Teile eines Elektrons sind, die quasi auseinandergebrochen sind. Da sie über das gesamte Material verteilt sind, ist es unglaublich schwer, sie zu stören. Man kann nichts kaputt machen, was bereits absichtlich zerlegt und über tausend Atome verteilt wurde.

Wenn Elektronen ihren Job kündigen

Die Seltsamkeiten hören bei Magnetimpulsen oder Geister-Photonen nicht auf. In Laboren auf der ganzen Welt beginnen sich Elektronen auf eine Weise zu verhalten, die jedem Lehrbuch widerspricht. Ein Jahrhundert lang haben wir Elektronen wie winzige Billardkugeln behandelt, die durch Drähte sausen. Doch neue Forschungen an exotischer Materie zeigen, dass Elektronen unter den richtigen Bedingungen aufhören, sich wie Teilchen zu verhalten.

In bestimmten Quantenmaterialien beginnen Elektronen wie eine reibungsfreie Flüssigkeit zu fließen. In anderen verlieren sie ihre individuelle Identität und agieren als eine einzige, kollektive Welle. Das ist ein Albtraum für die klassische Physik, aber ein Traum für Ingenieure. Wenn sich ein Elektron nicht wie ein Teilchen verhält, prallt es nirgendwo ab. Wenn es nirgendwo abprallt, erzeugt es keine Wärme. Wenn es keine Wärme erzeugt, kann man einen Computer bauen, der keinen Lüfter braucht und nie langsamer wird.

Der Haken ist, wie immer, die Umgebung. Die meisten dieser Zustände erfordern Temperaturen, die kälter als der tiefe Weltraum sind, oder Magnetfelder, die stark genug wären, ein Auto anzuheben. Deshalb ist Powells Floquet-Engineering so entscheidend. Indem wir zeitabhängige Felder nutzen, um die Materie "anzutreiben", könnten wir diese Materialien dazu bringen, diese exotischen Zustände bei höheren Temperaturen und unter weniger extremen Bedingungen beizubehalten. Es ist der Unterschied zwischen einem supergekühlten Flüssigstickstoff-Kühlschrank und einem Gerät, das einfach auf Ihrem Schreibtisch funktioniert.

Der Goldstandard kosmischer Gewalt

Sie fragen sich vielleicht, warum wir uns so sehr auf diese zerbrechlichen, flackernden Materiezustände im Labor konzentrieren. Die Antwort liegt im Schmuck an Ihrem Finger oder dem Gold in Ihrem Smartphone. Jahrzehnte lang gab es ein "nukleares Rätsel" darüber, woher schwere Elemente wie Gold eigentlich kommen. Wir wussten, dass sie nicht wie Sauerstoff oder Kohlenstoff im Inneren von Sternen entstehen; die dortige Physik ist nicht gewaltsam genug.

Es stellt sich heraus, dass Gold das Ergebnis des ultimativen Experiments mit exotischer Materie ist: der Kollision von Neutronensternen. Ein Neutronenstern ist im Wesentlichen ein gigantischer Atomkern von der Größe einer Stadt. Es ist die extremste Form von Materie im beobachtbaren Universum. Wenn zwei davon kollidieren, entstehen Bedingungen, die so bizarr sind, dass die Regeln des Periodensystems außer Kraft gesetzt werden. In diesem Chaos werden Neutronen in solchem Tempo in Atome gepresst, dass in Sekunden schwere Elemente geschmiedet werden.

Das Ende der statischen Welt

Wir erleben einen Wandel von einer "statischen" Sicht auf das Universum hin zu einer "dynamischen". Den größten Teil der Menschheitsgeschichte betrachteten wir einen Stein und sahen nur einen Stein. Jetzt betrachten wir ein Material und sehen eine Reihe von Möglichkeiten, die mit dem richtigen Rhythmus erschlossen werden können. Ian Powells Arbeit mit Floquet-Engineering hat gezeigt, dass die "Einschränkungen" der Materie meist nur ein Mangel an Vorstellungskraft sind. Wenn ein Material nicht die Eigenschaft hat, die Sie brauchen, können Sie es so lange in Schwingung versetzen, bis es sie hat.

Louis Buchalter, der studentische Forscher, der an der Cal Poly Studie mitgearbeitet hat, merkte an, dass Forschung selten ein gerader Weg ist. Es erforderte Beharrlichkeit, das "topologische Phasendiagramm" zu kartieren – im Grunde eine Karte der Orte, an denen diese unmöglichen Materiezustände existieren. Diese Karte ist nun ein Wegweiser für die nächste Generation von Ingenieuren. Sie werden nicht nach neuen Elementen suchen; sie werden nach neuen Wegen suchen, Energie durch die bereits vorhandenen Elemente zu pulsen.

Wir treten in eine Ära ein, in der die Hardware unserer Technologie so flüssig sein wird wie die Software. Stellen Sie sich einen Prozessor vor, der seine physikalischen Eigenschaften je nach Aufgabe ändert. Müssen Sie komplexe Berechnungen durchführen? Das Material wechselt in einen hochstabilen Floquet-Zustand. Müssen Sie Daten übertragen? Es flackert in eine Quantenspinflüssigkeit mit emergentem Licht. Die Materie selbst wird zur Maschine. Es klingt nach Magie, aber wie die Laborergebnisse zeigen, ist es einfach Physik mit einem besseren Takt.

Die Suche nach diesen exotischen Zuständen dient nicht dem Beweis einer Theorie. Es geht um das Überleben im Zeitalter der Daten. Da unsere Nachfrage nach Rechenleistung an die physikalischen Grenzen von Silizium und Kupfer stößt, haben wir keine andere Wahl, als die Regeln zu brechen. Wir beschwören Materie herauf, die eigentlich nicht existieren dürfte, weil die vorhandene Materie nicht mehr mit uns Schritt halten kann. Die Geister in der Maschine werden endlich zur Arbeit eingeteilt.