Physiker lassen unmögliche Materie durch Flickern entstehen

Die Spannung liegt hier in der Zerbrechlichkeit unserer derzeitigen Technologie. Wir versuchen aktuell, Quantencomputer mit Materialien zu bauen, die für ihre Unberechenbarkeit bekannt sind. Wenn auch nur ein einziges verirrtes Wärmemolekül ein Quantenbit, oder Qubit, berührt, bricht das gesamte System zusammen. Indem sie diese exotischen, zeitabhängigen Zustände erzeugten, haben Powell und sein studentischer Forscher Louis Buchalter einen Weg gefunden, Quantensysteme deutlich stabiler zu machen. Es zeigt sich, dass Materie, die man in einem Zustand ständiger, rhythmischer Veränderung hält, für externes Rauschen schwieriger zu stören ist.

Der Stroboskopeffekt für die Quantenwelt

Um zu verstehen, was Powell und Buchalter erreicht haben, muss man aufhören, Materie als etwas Festes, Unbewegliches zu betrachten. Auf Quantenebene ist alles eine Schwingung. Normalerweise ordnen sich diese Schwingungen in einem vorhersehbaren Rhythmus an. Floquet-Engineering ist im Grunde der Prozess, ein Material mit einem „Stroboskop“ aus Energie zu befeuern – in diesem Fall ein sich veränderndes Magnetfeld –, um diese Schwingungen in ein neues, exotisches Muster zu zwingen. Es ist, als würde man einen Sandhaufen nehmen und den Boden so präzise in Schwingung versetzen, dass die Sandkörner nicht einfach nur daliegen, sondern in der Form einer Kathedrale schweben.

Das Team der Cal Poly nutzte ein Verfahren, das sie „Flux-Switching Floquet Engineering“ nannten. Es klingt wie etwas aus einem Science-Fiction-Reboot der neunziger Jahre, doch die Mechanik basiert auf einem mathematischen Ordnungsprinzip, das Systeme höherer Dimensionen widerspiegelt. Indem sie das System mit zeitgesteuerten magnetischen Verschiebungen ansteuerten, erschlossen sie Quantenphasen, die „topologisch geschützt“ sind. Auf gut Deutsch bedeutet das: Der Zustand der Materie wird durch ihre eigene Geometrie fixiert. Man kann ihn nicht so leicht zerstören, weil die Form seiner Existenz selbst verhindert, dass er zerfällt.

Dies ist eine enorme Sache für die Zukunft der Informatik. Eines der größten Hindernisse für einen funktionierenden Quantencomputer ist „Rauschen“ – die Umweltinterferenz, die Fehler verursacht. Wenn wir Qubits aus diesen angeregten, exotischen Zuständen bauen können, machen wir sie nicht nur schneller, sondern auch robuster. Wir gehen davon aus, Computer nicht mehr aus Glas, sondern aus verstärktem Stahl zu bauen. Aber der Preis dafür ist Energie. Man muss das System „antreiben“, damit die Materie in diesem Zustand existiert. In dem Moment, in dem man das Flimmern stoppt, endet der Zaubertrick und die Materie verschwindet zurück in ihr langweiliges, statisches Selbst.

Warum enthält dieser Kristall Geisterphotonen?

Eine Quantenspinflüssigkeit ist ein etwas irreführender Begriff. Sie ist nicht nass. Stattdessen bezieht sich die „Flüssigkeit“ auf die magnetischen Momente – die Spins – der Atome im Inneren des Kristalls. In einem normalen Magneten, wie dem an Ihrem Kühlschrank, zeigen diese Spins alle in die gleiche Richtung oder folgen einem geordneten Muster. In einer Quantenspinflüssigkeit befinden sich die Spins selbst beim absoluten Nullpunkt in einem Zustand totaler, hektischer Unordnung. Sie sind „frustriert“, was bedeutet, dass sie nie einen bequemen Platz zum Ruhen finden. Da sie sich ständig bewegen und verschränkt sind, erzeugen sie „Geisterteilchen“ – Anregungen, die sich genau wie Licht verhalten, aber nur innerhalb des Materials existieren.

Können wir tatsächlich Materie nutzen, die sich weigert, Regeln zu befolgen?

Der gemeinsame Nenner zwischen der flackernden Materie an der Cal Poly und den Geisterphotonen an der Rice University ist die völlige Ablehnung der klassischen Physik. Wir treten in eine Ära ein, in der wir nicht mehr fragen, was ein Material *ist*, sondern was es *tun* kann, wenn man es an seine Grenzen treibt. Das gilt auch für Graphen. Forscher beobachteten kürzlich, wie Elektronen in Graphen wie eine nahezu reibungsfreie Flüssigkeit flossen und damit ein grundlegendes physikalisches Gesetz trotzten, das besagt, dass Elektronen wie einzelne Flipperkugeln umherzischen sollten. Stattdessen bewegen sie sich wie Honig – wenn Honig mit Lichtgeschwindigkeit durch ein Rohr fließen könnte, ohne jemals stecken zu bleiben.

Dann gibt es noch die Quasikristalle. Seit 40 Jahren versuchen wir zu verstehen, warum diese Materialien ein Muster zu haben scheinen, sich aber niemals wirklich wiederholen. Sie sind die Mosaike der Quantenwelt – wunderschön, komplex und scheinbar unmöglich. Wissenschaftler an der University of Michigan haben endlich den Code geknackt, wie diese wachsen, und enthüllten, dass sie sich an der Grenze zwischen Ordnung und Chaos bewegen. Wie die Floquet-Zustände stellen Quasikristalle einen Mittelweg dar, der eigentlich nicht existieren dürfte, und bilden eine Brücke zwischen der vorhersagbaren Welt eines Salzkristalls und der totalen Zufälligkeit eines Gases.

Die industriellen Auswirkungen sind atemberaubend, aber wir müssen realistisch bleiben. Wir werden nächstes Jahr keine Floquet-betriebenen Smartphones haben. Ian Powell gibt als Erster zu, dass die direkteste Relevanz in der Quantensimulation und -forschung liegt. Der Weg von einem Labor an der Cal Poly zu einem Werk in Shenzhen ist lang und mit gescheiterten Experimenten gepflastert. Aber die konzeptionelle Mauer ist eingerissen. Wir wissen jetzt: Wenn wir das Material für eine bestimmte Technologie nicht finden können, können wir es vielleicht einfach durch magnetische Felder in die Existenz schwingen.

Ist die Zukunft der Technik nur eine wohl getimte Schwingung?

Wenn Sie im Bus sitzen und dies lesen, halten Sie wahrscheinlich ein Gerät aus Silizium, Kupfer und Plastik in der Hand – Materialien, die wir seit über einem Jahrhundert verstehen. Der nächste Sprung wird keine bessere Version dieser Materialien sein. Es wird etwas sein, das sich wie Zauberei anfühlt. Wir blicken auf eine Welt, in der unsere Hardware durch zeitabhängige Felder „angetrieben“ wird, in der unsere Energie durch Kristalle mittels Geisterteilchen fließt und in der unsere Computer aus Materiezuständen gebaut sind, die technisch gesehen nicht existieren, wenn der Strom abgeschaltet ist.

Es liegt eine gewisse Ironie darin, dass wir, je mehr wir über die fundamentalen Bausteine des Universums erfahren, desto mehr erkennen, wie wenig wir davon genutzt haben. Wir haben auf dem Klavier bisher nur drei Tasten gespielt. Floquet-Engineering und die Entdeckung von 3D-Spinflüssigkeiten sind, als würde jemand endlich den Deckel öffnen und uns die anderen 85 zeigen. Es ist chaotisch, es ist kompliziert und es bricht die meisten Regeln, die wir für in Stein gemeißelt hielten. Aber wie Louis Buchalter nach seiner Zeit im Labor feststellte, ist Forschung selten ein geradliniger Prozess. Es geht um Beharrlichkeit und die Bereitschaft, ein Magnetfeld zu betrachten und sich zu fragen, was passiert, wenn man den Schalter schneller umlegt, als jeder es für möglich gehalten hätte.

Das nächste Jahrzehnt der Physik wird nicht davon handeln, neue Elemente am Ende des Periodensystems zu entdecken. Es wird um die seltsamen, flackernden, frustrierten und reibungsfreien Zustände gehen, die wir in den Lücken dazwischen erzeugen können. Wir sind nicht mehr nur Beobachter der physischen Welt. Wir sind ihre Editoren, die den Code der Materie in Echtzeit umschreiben, einen magnetischen Puls nach dem anderen. Die Gesetze der Physik haben sich nicht geändert, aber unsere Fähigkeit, sie zu umgehen, sicherlich schon. Und in dieser Lücke zwischen dem, was ist, und dem, was sein könnte, wird die nächste technologische Revolution derzeit ins Leben geschwungen.