Forskere har fundet en ny tilstandsform for stof, der er afhængig af tid.

© Claus Lunau

Tidskrystaller giver computere evig regnekraft

De ændrer form af sig selv, har deres egen rytme og burde slet ikke eksistere. Men nu har forskere skabt de bizarre tidskrystaller, som kan give fremtidens computere ekstreme hastigheder uden at bruge energi.

8. februar 2018 af Martin Bernth & Esben Schouboe

Forestil dig en bold, som ligger på jorden. 

Ligesom alle andre genstande har bolden en række fysiske træk, der beskriver dens tredimensionale form: Den er kuglerund og har en bestemt diameter, der afgør omkredsen – nøjagtigt ligesom alle andre runde genstande. 

Men denne bold er alligevel helt anderledes, for formen er også afhængig af den fjerde dimension: tid. 

Hvert tiende sekund skifter bolden helt af sig selv form og bliver ægformet, inden den ti sekunder senere igen omdanner sig til en kugle. Det er en firedimensional bold.

Er du vild med teknologi, så læs mere i Illustreret Videnskab

Indtil for nylig ville enhver fysiker have nægtet, at sådan en bold kunne eksistere, da det ville bryde med nogle af de mest grundlæggende naturvidenskabelige love. 

Men nu har to forskerhold uafhængigt af hinanden fået partikler i mikroskopiske krystaller til at dreje sig og ændre mønster af sig selv, i takt med at tiden går. 

Krystallerne udgør en helt ny tilstandsform for stof, som hverken er fast, flydende, gas eller plasma, men afhængig af tid. 

Tidskrystaller, som forskerne har døbt dem, kan blive den nøgle, som computeringeniører har manglet til at gøre fremtidens kvantecomputere stabile og ikke mindst ekstremt energibesparende.

Forsker opfinder evighedsmaskine

Tidskrystaller eksisterede oprindeligt kun som en idé i hovedet på den nobelprisvindende fysiker Frank Wilczek. 

Hans idé tog udgangspunkt i almindelige tredimensionale krystaller som fx salt eller is.

Helt nede på atomniveau er krystaller interessante for fysikere, fordi de bryder med den såkaldte rumlige symmetri. 

Rumlig symmetri findes fx i en kop flydende vand: Vandmolekylerne udfylder koppen i et homogent mønster, hvilket betyder, at to stikprøver taget fra forskellige steder i koppen vil have nøjagtigt samme molekylemønster. 

Når vandet i koppen fryser og bliver til iskrystaller, ordner molekylerne sig i et gentagende mønster af faste enheder, som er rumligt asymmetrisk. 

To tilfældige stikprøver taget fra iskrystallet vil dermed ikke have samme mønster.

Forskellen svarer til at klippe stofprøver ud af to tæpper – et ensfarvet og ét med et motiv. 

Uanset hvor saksen klipper i det ensfarvede tæppe, vil prøverne se ens ud, mens to stykker fra tæppet med motivet næsten aldrig vil være 100 procent identiske.

Frank Wilczek studerede disse krystalstrukturer i 2012, da ideen kom til ham: Hvad hvis der findes stoffer, som ikke kun er rumligt asymmetriske som krystaller, men tidsligt asymmetriske? Det ville betyde, at et objekt, der hverken får tilført eller afgiver energi, kan ændre egenskaber, alene fordi tiden går. 

I eksemplet med stofprøverne ville mønsteret i et stykke tidsligt asymmetrisk tæppe altså ikke afhænge af, hvor stykket klippes ud, men hvornår der bliver klippet.

Ideen blev modtaget med fascination, men også forargelse. 

Partikler, som ændrer sig af sig selv over tid, bryder nemlig med et af fysikkens grundlæggende principper: Al energi i universet er konstant. 

Det vil sige, at energi aldrig hverken opstår eller forsvinder, men blot omdannes fra én form til en anden, fx fra lys til varme. 

Hvis Wilczeks tidskrystaller ændrede form uden at få tilført energi, ville de være nødt til at skabe energi ud af det blå. 

Med andre ord ville tidskrystallerne være såkaldte evighedsmaskiner, som ifølge fysikkens love ikke kan eksistere.

Tidskrystaller møder modstand

Ideen fik da heller ikke lov at gå uprøvet hen. 

I 2015 lagde to forskere fra University of California og The University of Tokyo til­sy­ne­­la­den­de de umulige evighedsmaskiner endegyldigt i graven, da de teoretisk beviste, at tidskrystaller ifølge fysikkens love ikke kan eksistere i såkaldt termisk ligevægt.

Når et objekt er i termisk ligevægt, kan det hverken afgive eller få tilført varme fra omgivelserne.

Varme er i fysikkens verden et mål for partiklers bevægelsesenergi, så når objektet er i termisk ligevægt, udveksler det ingen bevægelser med dets omgivelser.

Forskerne fandt ud af, at tidskrystallerne kun kunne bevæge sig, hvis der blev “skubbet” til dem fra omgivelserne. 

Dermed var det fysisk umuligt for tidskrystallerne at ændre form uden hjælp udefra, hvilket var hele grundlaget for Wilczeks idé.

Men andre fysikere nægtede at give op. Hvis tidskrystallerne ikke kunne eksistere i termisk ligevægt, var det måske muligt at skabe dem i en tilstand af uligevægt. 

I de seneste år har kvantefysikere udforsket et fænomen kaldet many-body localization (flerlegeme-lokalisering), der forekommer, når en samling af atomer ikke er i termisk ligevægt. 

Atomer i denne tilstand er usynligt forbundne og kan påvirke hinanden.

I en beholder fyldt med luft vil atomerne normalt udfylde beholderens rumfang ligeligt og bevæge sig tilfældigt rundt blandt hinanden. 

Men ved hjælp af many-body localization kan atomerne påvirke hinanden til fx at samle sig i den ene side af beholderen eller flytte sig rundt i et særligt mønster.

Fra umulig teori til virkelighed

Forskere fik i et forsøg små partikler i en diamant til at opføre sig som tidskrystaller.

© George Kucsko/Harvard Uni.

Det store gennembrud kom i 2015, da forskere ved Princeton University beviste, hvordan de “umulige” krystaller i teorien kunne eksistere, hvis de bevægede sig i faste tidsintervaller ved hjælp af many-body localization. 

Det afgørende i forskernes nye idé var, at atomerne ikke ville bevæge sig helt af sig selv, da det strider mod fysikkens grundlove. 

De ville heller ikke bevæge sig, fordi de blev påvirket udefra, men i stedet fik de hinanden til at bevæge sig.

Dette smuthul i fysikken inspirerede forskere til at gå i laboratoriet og afprøve teorien i praksis, og i starten af 2017 lykkedes det næsten samtidig for to forskerhold at skabe de firedimensionale krystaller. 

De to hold fra henholdsvis University of Maryland og Harvard University gjorde endda brug af forskellige fremgangsmåder, men nåede alligevel frem til det samme resultat.

I Maryland skød forskere laserpulser ind på en kæde af ioner af stoffet ytterbium, der var forbundet til hinanden via many-body localization. 

Laserpulserne skubbede til ionerne og fik dem til at vende retningen på deres magnetfelter på hovedet og tilbage igen synkront. 

Ganske opsigtsvækkende forblev frekvensen i skiftene af ionernes magnetfelter uændret, selvom frekvensen af laserpulserne ændrede sig. 

Kæden af ytterbium-ioner havde altså sin egen rytme, som kunne siges at være en af dens grundlæggende egenskaber på samme måde som dens masse eller elektriske ladning. 

På Harvard brugte forskerne mikrobølgepulser til at skubbe til små partikler inde i en diamant. Igen vendte partiklerne sig i præcise intervaller – netop som i Maryland-forsøget.

Kvantecomputere får superkræfter

Det nye fænomen, som nu er påvist i laboratoriet, har vakt begejstring i fysikkens verden. Tidskrystallerne er nemlig det første bevis på, at stof er i stand til at organisere sig i tidsdimensionen. 

Krystallerne kan anskues som universets eget urværk, som bare skal skubbes i gang og herefter vil bevæge sig i en fast rytme af sig selv – for evigt.

Ét område, som kan få gavn af disse urværker, er kvantecomputere, som computeringeniører endnu kæmper med at gøre brugbare. 

I kvantecomputere skal kvantebits afløse almindelige computeres transistorer. Transistorer er små fysiske kontakter, som enten er tændt eller slukket og bruges af computerens software til at repræsentere 1’er og 0’er. 

De taktfaste vendinger af tidskrystallernes magnetfelter kan overtage den funktion, men uden at bruge den energi, transistorer gør. De vil desuden fylde langt mindre, så mere regnekraft kan samles på mindre plads. 

Samtidig lover tidskrystallernes evne til at fastholde rytmen på trods af ydre påvirkninger fra fx laserpulser også godt for deres brug som kvantebits. 

Indtil nu har et problem netop været at finde partikler, der kan udgøre kvantebits, som ikke er for skrøbelige at bruge i praksis.

Forsøgene med tidskrystaller kan være begyndelsen på et helt nyt felt inden for fysikken, mener en af forskerne bag forsøget i Maryland. 

 Selvom kry­stal­lerne i forsøgene kun eksisterede i kort tid og i meget små størrelser, er det grund­læg­gen­de koncept nu bevist. 

Og ligesom saltkrystaller naturligt findes i relativt store stykker – fx dem, vi krydrer vores mad med – mener Monroe, at tids­kry­stal­ler kan være naturligt forekommende. 

Med andre ord kan universet være fyldt med firedimensionale krystaller, som ingen troede kunne eksistere.

Gå aldrig glip af de vigtigste videnskabelige nyheder - få Illustreret Videnskabs NYHEDSBREV direkte i din mailboks

Læs også

Måske er du interesseret i ...

FÅ ILLUSTRERET VIDENSKABS NYHEDSBREV

Du får dit gratis særtillæg, Vores Ekstreme Hjerne, til download, straks du har tilmeldt dig nyhedsbrevet.

Fandt du ikke det, du ledte efter? Søg her: