Tidskristaller ger datorer oändlig processorkraft

Föreställ dig en boll som ligger på marken.

Precis som alla andra föremål har bollen olika fysiska drag som beskriver dess tredimensionella form: Den är sfärisk och har en bestämd diameter som avgör omkretsen – exakt som alla andra runda föremål.

Men den här bollen är ändå helt annorlunda eftersom formen också är beroende av en fjärde dimension: tid.

Var tionde sekund byter bollen form och blir äggformad, innan den tio sekunder senare omvandlas till en kula. Det är en fyrdimensionell boll.

Tills helt nyligen skulle alla fysiker ha förnekat att en sådan boll kan existera, efter som det skulle bryta mot några av de mest grundläggande naturlagarna.

Men nu har två av varandra oberoende forskarteam fått partiklar i mikroskopiska kristaller att röra sig och byta mönster av sig själva i takt med att tiden går.

Kristallerna utgör en helt ny tillståndsform för materia som varken är fast, flytande, gas eller plasma – utan tids beroende.

Tidskristaller, som forskarna har döpt dem till, kan bli den nyckel som dator ingenjörer saknat för att göra framtidens kvantdatorer stabila och inte minst extremt energisnåla.

###

En evighetsmaskin

Tidskristaller fanns ursprungligen bara som en idé i huvudet på den Nobelprisvinnande fysikern Frank Wilczek. Hans idé byggde på vanliga tredimensionella kristaller som till exempel salt eller is.

Allra längst ned på atomnivå är kristaller intressanta för fysiker eftersom de bryter mot den så kallade rumsliga symmetrin.

Rumslig symmetri finns exempelvi i ett glas flytande vatten: Vattenmolekylerna fyller koppen i ett homogent mönster, vilket betyder att två stickprover som tas från olika platser i glaset har exakt samma molekyl-mönster.

När vattnet i glaset fryser och blir till iskristaller ordnar sig molekylerna i ett repeterande mönster av fasta enheter som är rumsligt asymmetriskt.

Två slumpmässiga stickprover som tas från iskristallen kommer därmed att ha olika mönster.

Skillnaden är som att klippa ut prover i två mattor – en enfärgad och en med motiv. Oavsett hur man klipper i den enfärgade mattan kommer proverna att se likadana ut medan två bitar från mattan med motiv nästan aldrig är 100 procent identiska

Frank Wilczek studerade de här kristallstrukturerna år 2012 när han fick en idé: Tänk om det finns ämnen som inte bara är rumsligt asymmetriska som kristaller, utan tidsmässigt asymmetriska? Det betyder att ett objekt som varken får tillfört eller avger energi kan ändra egenskaper bara för att tiden går.

I exemplet med tygproverna skulle mönstret i en bit tidsmässigt asymmetrisk matta alltså inte bero på hur biten klipps ut, utan på när den klipps ut.

Idén möttes med fascination, men också med förargelse. Partiklar som förändras även över tid bryter nämligen mot en av fysikens grundläggande principer: All energi i universum är konstant.

Det betyder att energi aldrig uppstår eller försvinner utan bara omvandlas från en form till en annan, exempelvis från ljus till värme.

Om Frank Wilczeks tidskristaller ändrade form utan att energi tillförts skulle de behöva skapa energi ur tomma intet. Med andra ord skulle tidskristallerna vara så kallade evighets maskiner, vilket enligt fysikens lagar inte kan existera.

Tidskristaller möter motstånd

Idén fick heller inte gå otestad. 2015 lade två forskare på University of California i USA och The University of Tokyo i Japan till synes de omöjliga evighetsmaskinerna slutgiltigt i graven när de teoretiskt bevisade att tidskristaller enligt fysikens lagar inte kan existera i så kallad termisk jämvikt.

När ett objekt är i termisk jämvikt kan det varken avge eller tillföras värme från omgivningarna.

Värme är i fysikens värld ett mått för partiklars rörelseenergi så när objektet är i termisk jämvikt utväxlar det inga rörelser med sin omgivning.

Forskarna upptäckte att tidskristallerna bara kunde röra sig om de ”knuffades” av sina omgivningar.

Det var därmed fysiskt omöjligt för tidskristallerna att ändra form utan hjälp utifrån, vilket var hela grunden för Wilczeks idé.

Andra fysiker vägrade dock att ge upp. Om tidskristallerna inte kunde existera i termisk jämvikt var det kanske möjligt att skapa dem i ett tillstånd av ojämvikt.

De senaste åren har kvantfysiker utforskat ett fenomen som kallas many-body localization (flera föremål-lokalisering), som förekommer när en samling atomer inte är i termisk jämvikt.

Atomer i det här tillståndet är osynligt förbundna och kan påverka varandra.

I en behållare fylld med luft fyller atomerna vanligtvis behållaren jämnt och de rör sig slumpmässigt runt varandra.

Men med hjälp av many-body localization kan atomerna påverka varandra exempelvis för att samla sig i ena sidan av behållaren eller röra sig i ett särskilt mönster.

###

Från omöjlig teori till verklighet

Det stora genombrottet kom 2015 när forskare vid Princeton University i USA bevisade hur de ”omöjliga” kristallerna i teorin kunde existera om de rörde sig i fasta tidsintervall med hjälp av many-body localization.

Det avgörande i den nya idén var att atomerna inte skulle röra sig helt på egen hand, då det strider mot fysikens lagar.

De skulle inte heller röra sig på grund av yttre påverkan, utan i stället få varandra att röra sig.

Detta kryphål i fysiken inspirerade flera forskare att sätta teorin på prov, och i början av 2017 lyckades två forskarteam nästan samtidigt skapa de fyrdimensionella kristallerna.

De två teamen på University of Maryland respektive Harvard University i USA använde sig av olika metoder men kom ändå fram till samma resultat.

I Maryland sköt forskare laserpulser mot en kedja av joner av ämnet ytterbium, som var förbundna med varandra via many-body localization.

Laserpulserna knuffade till jonerna och fick dem att synkroniserat byta riktning på sitt magnetfält – och sedan tillbaka igen

Anmärkningsvärt nog förblev frekvensen oförändrad i bytena av jonernas magnetfält, trots att laserpulsernas frekvens ändrades.

Kedjan av ytterbiumjoner hade alltså en egen rytm, som kunde sägas vara en av dess grundläggande egenskaper på samma sätt som deras massa eller deras elektriska laddning.

På Harvard använde forskarna mikrovågspulser för att knuffa till små partiklar inne i en diamant. Återigen vände sig partiklarna i exakta intervall – precis som i Maryland-experimentet.

###

Kvantdatorer får superkrafter

Det nya fenomenet, som nu påvisats i laboratoriemiljö, har väckt stort intresse bland fysiker. Tidskristallerna är nämligen ett första bevis på materia som organiseras i tidsdimensionen.

Kristallerna kan ses som universums eget urverk som bara behöver ges fart och därefter rör sig i en fast rytm av sig själva – för evigt.

Kvantdatorer är ett område som kan få nytta av de här urverken som utvecklarna fortfarande kämpar med att förverkliga.

I kvantdatorer ska kvantbitar avlösa vanliga datorers transistorer. Transistorer är små fysiska kontakter som antingen kan vara tända eller släckta, och används av datorns programvara för att representera ettor och nollor.

De taktfasta vändningarna av tidskristallernas magnetfält kan ta över den funktionen, men utan att kräva samma energi som transistorer.

De tar dessutom många gånger mindre plats, vilket ger mer processorkraft per ytenhet.

Samtidigt lovar tidskristallernas förmåga att bibehålla sin rytm trots yttre påverkan från exempelvis laserpulser också gott för deras användning som kvantbitar.

Hittills har ett problem just varit att hitta partiklar som kan utgöra kvantbitar utan att vara för känsliga för att kunna användas i praktiken.

Försöken med tidskristaller kan vara början på ett helt nytt fält inom fysiken, menar en av forskarna bakom experimentet i Maryland.

Trots att kristallerna där bara existerade under kort tid och i ytterst små mängder har det grundläggande konceptet bevisats.

Och liksom saltkristaller naturligt finns i relativt stora bitar – exempelvis de som vi kryddar maten med – menar Monroe att tids kristaller kan vara naturligt förekommande.

Universum kan med andra ord ha massor av fyrdimensionella kristaller som ingen trodde kunde existera.