Was uns Kaffee mit Sahne über Quantenphysik lehren kann
Wenn Sie einen Schuss Kaffeesahne in Ihren Morgenkaffee geben, wirbeln Wolken aus weißer Flüssigkeit um Ihre Tasse. Aber nach ein paar Sekunden verschwinden diese Wolken und zurück bleibt eine gewöhnliche Tasse mit brauner Flüssigkeit.
Ähnlich verhält es sich bei Quantencomputerchips - Geräten, die die seltsamen Eigenschaften des Universums in seinen kleinsten Maßstäben anzapfen -, wo Informationen schnell durcheinander geraten können, was die Speicherkapazität dieser Geräte einschränkt.
Das muss nicht sein, sagt Rahul Nandkishore, außerordentlicher Professor für Physik an der Universität von Colorado Boulder.
In einem neuen Coup für die theoretische Physik haben er und seine Kollegen mit Hilfe von Mathematik gezeigt, dass Wissenschaftler im Grunde ein Szenario schaffen können, in dem sich Milch und Kaffee niemals vermischen - egal wie stark man sie umrührt.
Die Ergebnisse der Gruppe könnten zu neuen Fortschritten bei Quantencomputerchips führen und Ingenieuren neue Möglichkeiten bieten, Informationen in unglaublich kleinen Objekten zu speichern.
"Stellen Sie sich die anfänglichen Wirbelmuster vor, die entstehen, wenn Sie Sahne in Ihren morgendlichen Kaffee geben", sagt Nandkishore, Hauptautor der neuen Studie. "Stellen Sie sich vor, dass diese Muster weiter wirbeln und tanzen, egal wie lange Sie zuschauen."
Die Forscher müssen noch Experimente im Labor durchführen, um sicherzustellen, dass diese nicht enden wollenden Wirbel wirklich möglich sind. Aber die Ergebnisse der Gruppe sind ein großer Schritt nach vorn für Physiker, die versuchen, Materialien zu schaffen, die über lange Zeiträume hinweg aus dem Gleichgewicht bleiben - ein Bestreben, das als "Ergodizitätsbruch" bekannt ist.
Die Ergebnisse des Teams sind diese Woche in der neuesten Ausgabe der "Physical Review Letters" erschienen .
Quantengedächtnis
Die Studie, an der David Stephen und Oliver Hart, promovierte Physiker an der CU Boulder, als Koautoren beteiligt sind, befasst sich mit einem häufigen Problem bei Quantencomputern.
Normale Computer arbeiten mit "Bits", die die Form von Nullen oder Einsen haben. Nandkishore erklärte, dass Quantencomputer im Gegensatz dazu "Qubits" verwenden, die in Form von Nullen, Einsen oder - durch die Seltsamkeit der Quantenphysik - Nullen und Einsen gleichzeitig existieren können. Ingenieure haben Qubits aus einer Vielzahl von Dingen hergestellt, darunter einzelne Atome, die von Lasern eingefangen werden, oder winzige Bauteile, so genannte Supraleiter.
Aber genau wie diese Tasse Kaffee können auch Qubits leicht durcheinander geraten. Wenn man z. B. alle Qubits auf eins stellt, drehen sie sich irgendwann hin und her, bis der gesamte Chip ein ungeordnetes Durcheinander ist.
In der neuen Forschungsarbeit haben Nandkishore und seine Kollegen möglicherweise einen Weg gefunden, diese Tendenz zur Vermischung zu umgehen. Die Gruppe berechnete, dass, wenn Wissenschaftler Qubits in bestimmten Mustern anordnen, diese Anordnungen ihre Informationen beibehalten - selbst wenn man sie mit einem Magnetfeld oder einer ähnlichen Störung stört. Das, so der Physiker, könnte es Ingenieuren ermöglichen, Geräte mit einer Art Quantenspeicher zu bauen.
"Dies könnte eine Möglichkeit sein, Informationen zu speichern", sagte er. "Man würde Informationen in diese Muster schreiben, und die Informationen könnten nicht beeinträchtigt werden.
Die Geometrie anzapfen
In der Studie verwendeten die Forscher mathematische Modellierungswerkzeuge, um sich eine Anordnung von Hunderten bis Tausenden von Qubits vorzustellen, die in einem schachbrettartigen Muster angeordnet sind.
Der Trick, so entdeckten sie, bestand darin, die Qubits auf engem Raum zu platzieren. Wenn die Qubits nahe genug beieinander liegen, so Nadkishore, können sie das Verhalten ihrer Nachbarn beeinflussen, fast wie eine Menschenmenge, die versucht, sich in eine Telefonzelle zu quetschen. Einige dieser Menschen stehen vielleicht aufrecht oder auf dem Kopf, aber sie können sich nicht umdrehen, ohne die anderen zu bedrängen.
Die Forscher berechneten, dass diese Muster, wenn sie sie richtig anordnen, um einen Quantencomputerchip herumfließen und sich nie abbauen könnten - ähnlich wie die Wolken aus Sahne, die ewig in Ihrem Kaffee schwimmen.
"Das Wunderbare an dieser Studie ist, dass wir entdeckt haben, dass wir dieses fundamentale Phänomen durch eine fast einfache Geometrie verstehen können", sagte Nandkishore.
Die Erkenntnisse des Teams könnten weit mehr als nur Quantencomputer beeinflussen.
Nandkishore erklärte, dass fast alles im Universum, von der Kaffeetasse bis zu riesigen Ozeanen, dazu neigt, sich auf das zuzubewegen, was Wissenschaftler "thermisches Gleichgewicht" nennen. Wenn Sie zum Beispiel einen Eiswürfel in Ihre Tasse fallen lassen, schmilzt das Eis durch die Wärme des Kaffees und bildet schließlich eine Flüssigkeit mit einer einheitlichen Temperatur.
Seine neuen Erkenntnisse reihen sich jedoch in eine wachsende Zahl von Forschungsergebnissen ein, die darauf hindeuten, dass sich einige kleine Materieorganisationen diesem Gleichgewicht widersetzen können - und damit scheinbar einige der unveränderlichsten Gesetze des Universums brechen.
"Wir müssen unsere Berechnungen für Eis und Wasser nicht neu machen", sagte Nandkishore. "Der Bereich der Mathematik, den wir statistische Physik nennen, ist unglaublich erfolgreich bei der Beschreibung von Dingen, die uns im Alltag begegnen. Aber es gibt Situationen, in denen sie vielleicht nicht anwendbar ist."
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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