Wissenschaftlern ist es gelungen, innerhalb eines Quantencomputers eine Materie-Phase zu erzeugen, die sich so verhält, als wäre sie Teil von zwei Zeitdimensionen. Das beschreiben die beteiligten Forscher in einem Artikel, der im renommierten Fachblatt «Nature» erschienen ist.
Der bemerkenswerte Erfolg gelang, nachdem atomare Ionen in einem Quantencomputer, also die Qbits, die Informationen im Quantencomputer speichern und verarbeiten, mit einer quasiperiodischen Abfolge von Laserimpulsen beschossen wurden. Diese orientiert sich an der Fibonacci-Reihe. Quasiperiodisch meint in diesem Fall, dass die Folge zwar einer Ordnung unterworfen ist, sich aber niemals wiederholt.
In der Folge entsteht eine Symmetrie der Information – weshalb diese deutlich länger und stabiler bestehen kann als üblicherweise – eine der zentralen Herausforderungen bei Quantencomputern.
Um zu verstehen, warum das so ist, hilft ein Vergleich zu sogenannten Quasikristallen. Dort sind die Moleküle ebenfalls in einer geordneten aber nicht periodischen Struktur arrangiert. Allerdings können solche nichtperiodischen Muster aus einem periodischen Muster in einer höheren Dimension geformt werden.
Schon vor vier Jahren hatten drei der nun beteiligten Wissenschaftler – Philipp Dumitrescu, Romain Vasseur und Andrew Potter – versucht, für die Qbits eine Art Quasikristall in der Zeit und nicht im Raum zu erzeugen.
Eine Folge aus Laserimpulsen nach Art der Fibonacci-Sequenz ist also, wie ein Quasikristall, eine geordnete, nichtperiodische Folge und lässt sich ebenfalls als zweidimensionale periodische Folge abbilden. Und diese dimensionale Verflachung resultiert in zwei Zeitsymmetrien, da die zweite - hier nicht existente Zeitdimension - eine eigene Zeitsymmetrie mitbringt.
Im Experiment bearbeiteten die Forscher eine Folge von 10 Qubits einmal mit einer periodischen und einmal mit der quasiperiodischen Folge von Laserimpulsen. Sie konzentrierten sich bei der Beobachtung auf die beiden äusseren Atome. Tatsächlich konnten sie bei der zweiten Impulsfolge an den Atomen eine gänzlich neue Materie-Phase mit zwei parallelen Zeitsymmetrien feststellen. Dies habe laut Forschern zu einer erheblich höheren Stabilität geführt.
Während die Qubits unter periodischer Laserimpuls-Folge nur etwa 1.5 Sekunden stabil ihre Informationen halten konnten, gelang dies unter quasiperiodischer Impulsabfolge für die gesamte Dauer des Experiments – etwa 5.5 Sekunden. Dies sei auf den zusätzlichen Schutz durch die zweite Zeitsymmetrie zurückzuführen, so die Forscher.
Die Entdeckung könnte ein wichtiger Schritt für die praktische Nutzung von Quantencomputern sein. Allerdings müsse jetzt noch ein Weg gefunden werden, wie sich dieses Verfahren praktisch in die Berechnungen im Quantencomputer integrieren lasse.
