QuTech creëert een ‘time crystal’
Onderzoekers van QuTech hebben een ‘time crystal’ gemaakt, een nieuwe exotische kwantumfase van materie, met behulp van een quantumcomputer op basis van diamant. Samen met een simultaan experiment door Google werpen de resultaten een nieuw licht op de natuurkunde van uit-evenwicht kwantumsystemen. Het team rapporteert hun bevindingen in Science.
In de kristallen die we in ons dagelijks leven tegenkomen, zoals diamanten of keukenzout, vormen de atomen spontaan een stabiel repeterend patroon in de ruimte. Kan iets soortgelijks ook in de tijd gebeuren?
Het idee van een time crystal werd in 2012 voor het eerst geopperd door Frank Wilczek, een natuurkundige en Nobelprijswinnaar. Het daaropvolgende debat leidde tot de voorspelling dat tijdkristallen zich kunnen vormen in periodiek aangedreven op elkaar inwerkende quantumsystemen. Het systeem zit dan opgesloten in een stabiel patroon dat oscilleert tussen twee discrete toestanden. In zo'n discreet time crystal kan wanorde in de interne interacties voorkomen dat het systeem een thermisch evenwicht bereikt of opwarmt. In theorie kan het eeuwig oscilleren zonder enige netto opname van energie.
Een discreet time crystal bij QuTech
"We wilden een discreet time crystal bouwen met een van onze quantumprocessoren op basis van spins in diamant," zegt Joe Randall van QuTech, een samenwerkingsverband tussen de Technische Universiteit Delft en TNO. "Deze spins vormen extreem goed geïsoleerde en individueel gecontroleerde kwantumbits die we kunnen programmeren om andere fysische 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.
In het juiste parameterregime worden de spins samen opgesloten in een periodiek inverterend patroon dat bestand is tegen verstoringen van het systeem. Belangrijk is dat het team vervolgens aantoonde dat het time crystal zich vormde bij het starten vanuit allerlei begintoestanden. "Deze waarneming van een robuuste respons voor alle begintoestanden was echt het bewijs dat het time crystal gestabiliseerd wordt door wanorde in zijn interne interacties," zegt Conor Bradley, promovendus aan QuTech. "Het is wat onze resultaten onderscheidt van eerdere onderzoeken."
Om lang te leven
Het door het team gecreëerde time crystal leeft opmerkelijk lang: het gaat tot ongeveer 800 perioden mee, of ongeveer 8 seconden. "Hoewel een perfect geïsoleerd time crystal in principe eeuwig kan leven, zal elke echte experimentele implementatie vervallen door interacties 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 bekendmaakten, meldde een team van Google, Stanford en anderen de realisatie van een discreet time crystal met behulp van een supergeleidende kwantumcomputer. "Het is buitengewoon opwindend dat er meerdere experimentele doorbraken tegelijk plaatsvinden," zegt Tim Taminiau, hoofdonderzoeker bij QuTech. "Al deze verschillende platforms vullen elkaar aan. Het Google-experiment gebruikt twee keer zoveel qubits, ons tijdkristal leeft ongeveer tien keer langer." Theoriemedewerker Norman Yao van UC Berkeley gelooft zelfs dat dit nog maar het begin is: "Een time crystal is misschien wel het eenvoudigste voorbeeld van een niet-evenwichtsfase van materie. Het QuTech-systeem is perfect geschikt om andere uit-evenwichtsverschijnselen te onderzoeken, waaronder bijvoorbeeld serie-topologische fasen."
Hoe nu verder?
Er zijn nog veel open vragen. Zijn er praktische toepassingen voor tijdkristallen? Wat zal worden waargenomen in hogere ruimtelijke dimensies? En, in het algemeen, hoe komen gedreven quantumsystemen in evenwicht? De door het team gebruikte spin-defecten in vaste stoffen bieden een flexibel platform om deze belangrijke open vragen in de statistische fysica experimenteel te bestuderen. "De mogelijkheid om de spins te isoleren van hun omgeving en toch hun interacties te controleren biedt een geweldige mogelijkheid om te bestuderen hoe informatie bewaard blijft of verloren gaat," zegt Francisco Machado, een van de medewerkers van UC Berkeley. "Het zal fascinerend zijn om te zien wat er nog gaat komen."
Meer informatie
De publicatie in Science is het resultaat van een samenwerking tussen QuTech, de universiteit van Californië Berkeley en Element Six, die de ultrapure diamanten kweekten die in het onderzoek zijn gebruikt.
Publicatie
J. Randall, C. E. Bradley, F. V. van der Gronden, A. Galicia, M. H. Abobeih, M. Markham, D. J. Twitchen, F. Machado, N. Y. Yao and T. H. Taminiau, 2021. Many-body-localized discrete time crystal with a programmable spin-based quantum simulator. Science 10.1126/science.abk0603 (DOI).
Contact
Tim Hugo Taminiau
T.H.Taminiau@tudelft.nl