Materie gooit het roer om

Dit is niet zomaar wat academisch gepieker. Decennialang is "ruis" de grootste hindernis in de race naar een functionele kwantumcomputer. Kwantumbits, of qubits, zijn berucht om hun gevoeligheid. Als een verdwaalde trilling of een kleine hittepiek ze raakt, verliezen ze hun gegevens en crasht het hele systeem. Powells ontdekking van deze "Floquet"-toestanden suggereert dat we materialen kunnen creëren die in feite immuun zijn voor die chaos. Door het materiaal in een constante staat van ritmische verandering te houden, creëren natuurkundigen een vorm van stabiliteit die statische materie simpelweg niet kan bieden.

Het magnetische stroboscoopeffect

Om te begrijpen wat Powell en zijn collega Louis Buchalter hebben bereikt, moet je stoppen met het zien van materie als een solide, onveranderlijk blok. Normaal gesproken is een kristal als een stilstaande foto. De atomen zitten in hun rijen, de elektronen zoeven rond en het geheel blijft op zijn plek. Maar het team van Powell gebruikte een techniek genaamd Floquet-engineering. Zie het als een stroboscoop in een donkere club. Als het licht uit is, kun je de dansers niet zien. Wanneer het flikkert op een specifieke frequentie, lijken de dansers in slow motion te bewegen of zelfs in de lucht stil te staan.

Het mooie van deze aanpak is de controle. In de traditionele materiaalkunde moet je, als je een andere eigenschap wilt, een ander gesteente zoeken. Wil je iets dat beter geleidt? Zoek wat koper. Wil je iets magnetisch? Zoek wat ijzer. Met Floquet-engineering verander je de steen niet; je verandert het ritme. Door de frequentie van het magnetische veld af te stemmen, kunnen onderzoekers specifieke kwantumeigenschappen direct instellen. Het verandert het materiaal in een programmeerbaar canvas.

De geest van een foton delven

Binnenin een specifiek kristal genaamd cerium-zirkoniumoxide observeerde het team van Dai iets dat klinkt als sciencefiction: emergente fotonen. Normaal gesproken zijn fotonen lichtdeeltjes die door het vacuüm van de ruimte reizen. Maar hier kwamen ze tevoorschijn uit een vast kristal. Dit zijn niet de fotonen die van de zon komen; het zijn "spookachtige" versies die ontstaan uit de collectieve dans van de atomen in het materiaal.

Deze ontdekking bevestigt dat we omgevingen in vaste stoffen kunnen creëren die de fundamentele wetten van het hele universum nabootsen. Het is alsof je een miniatuurversie van de kosmos gevangen hebt in een edelsteen. Voor kwantumcomputing is dit een goudmijn. Deze emergente deeltjes zijn "gefractionaliseerd", wat betekent dat het stukjes van een elektron zijn die in feite uit elkaar zijn gevallen. Omdat ze verspreid zijn over het materiaal, zijn ze ongelooflijk moeilijk te verstoren. Je kunt iets dat al opzettelijk gebroken en verspreid is over duizend atomen niet zomaar kapotmaken.

Wanneer elektronen hun vaste baan opzeggen

De vreemdheid stopt niet bij magnetische pulsen of spookfotonen. In laboratoria over de hele wereld beginnen elektronen zich te gedragen op manieren die elk leerboek tarten. Een eeuw lang hebben we elektronen behandeld als kleine biljartballen die door draden schieten. Maar nieuw onderzoek naar exotische materie laat zien dat elektronen onder de juiste omstandigheden simpelweg stoppen met zich als deeltjes te gedragen.

In bepaalde kwantummaterialen beginnen elektronen te stromen als een wrijvingsloze vloeistof. In andere verliezen ze hun individuele identiteit en fungeren ze als een enkele, collectieve golf. Dit is een nachtmerrie voor de klassieke natuurkunde, maar een droom voor ingenieurs. Als een elektron zich niet als een deeltje gedraagt, botst het nergens tegenaan. Als het niet botst, creëert het geen hitte. Als het geen hitte creëert, kun je een computer bouwen die geen koelventilator nodig heeft en nooit trager wordt.

De adder onder het gras is, zoals altijd, de omgeving. De meeste van deze toestanden vereisen temperaturen die kouder zijn dan de diepe ruimte of magnetische velden die krachtig genoeg zijn om een auto op te tillen. Daarom is de Floquet-engineering van Powell zo essentieel. Door tijdafhankelijke velden te gebruiken om de materie aan te "sturen", kunnen we deze materialen wellicht verleiden om in deze exotische toestanden te blijven bij hogere temperaturen en onder minder extreme omstandigheden. Dat is het verschil tussen een met vloeibare stikstof gekoelde superkoelkast en een apparaat dat gewoon op je bureau werkt.

De gouden standaard van kosmisch geweld

Je vraagt je misschien af waarom we geobsedeerd zijn door deze fragiele, flikkerende materietoestanden in een laboratorium. Het antwoord ligt in de sieraden aan je vinger of het goud in je smartphone. Decennialang hadden we een "nucleair mysterie" over waar zware elementen zoals goud vandaan komen. We wisten dat ze niet werden gemaakt in de kern van sterren zoals zuurstof of koolstof; de fysica daar is niet gewelddadig genoeg.

Het blijkt dat goud het resultaat is van het ultieme experiment met exotische materie: de botsing van neutronensterren. Een neutronenster is in essentie een gigantische atoomkern ter grootte van een stad. Het is de meest extreme vorm van materie in het waarneembare universum. Wanneer er twee botsen, creëren ze omstandigheden die zo bizar zijn dat de regels van het periodiek systeem overboord worden gegooid. In die chaos worden neutronen in zo'n tempo in atomen geduwd dat zware elementen in seconden worden gesmeed.

Het einde van de statische wereld

De verschuiving die we zien is van een "statische" kijk op het universum naar een "dynamische". Gedurende het grootste deel van de menselijke geschiedenis keken we naar een rots en zagen we een rots. Nu kijken we naar een materiaal en zien we een reeks mogelijkheden die met het juiste ritme kunnen worden ontsloten. Het werk van Ian Powell met Floquet-engineering heeft aangetoond dat de "beperkingen" van materie meestal slechts een gebrek aan verbeeldingskracht zijn. Als een materiaal niet de eigenschap heeft die je nodig hebt, kun je het laten trillen totdat dat wel zo is.

Louis Buchalter, de onderzoeksstudent die meewerkte aan de studie van Cal Poly, merkte op dat onderzoek zelden een rechte lijn is. Er was volharding voor nodig om het "topologische fasediagram" in kaart te brengen—in wezen een kaart van waar deze onmogelijke materietoestanden zich bevinden. Deze kaart is nu een gids voor de volgende generatie ingenieurs. Zij zullen niet zoeken naar nieuwe elementen; ze zullen zoeken naar nieuwe manieren om energie door de elementen te pulseren die we al hebben.

We treden een tijdperk binnen waarin de hardware van onze technologie net zo vloeibaar zal zijn als de software. Stel je een processor voor die zijn fysieke eigenschappen verandert op basis van de taak die hij uitvoert. Moet je cijfers kraken? Het materiaal schakelt over naar een zeer stabiele Floquet-toestand. Gegevens verzenden? Het flikkert naar een kwantumspinvloeistof met emergent licht. De materie zelf wordt de machine. Het klinkt als magie, maar zoals de laboratoriumresultaten laten zien, is het gewoon natuurkunde met een beter ritme.

De zoektocht naar deze exotische toestanden draait niet om het bewijzen van een theorie. Het draait om overleving in het tijdperk van data. Nu onze vraag naar rekenkracht de fysieke grenzen van silicium en koper bereikt, hebben we geen andere keuze dan de regels te overtreden. We toveren materie tevoorschijn die niet zou moeten bestaan, omdat de materie die er wél is ons niet meer kan bijhouden. De geesten in de machine worden eindelijk aan het werk gezet.