Quantencomputer: Rechnen in der Superposition - Edition Zukunft Rowohlt
Physiker des Oak Ridge National Laboratory in Tennessee und der University of Cambridge haben gemeinsam einen neuen Zustand der Materie entdeckt. Die bahnbrechenden Erkenntnisse wurden in der Zeitschrift berichtet Natur, detailliert die Beobachtungen des lange theoretischen, aber immer schwer fassbaren Zustands, der als "Quantenspinflüssigkeit" bekannt ist - in dem Elektronen scheinbar in kleinere Teile zerbrechen.
"Dies ist ein neuer Quantenzustand der Materie, der vorhergesagt wurde, aber noch nie zuvor gesehen wurde", sagte Johannes Knolle, Wissenschaftler am Cavendish Laboratory in Cambridge und einer der Mitautoren der Zeitung, in einer Pressemitteilung.
Jeder, der über Grundkenntnisse der Physik verfügt, weiß, dass es drei Hauptzustände der Materie gibt: Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase. Menschen mit ein wenig mehr Wissen kennen vielleicht die beiden anderen klassischen Zustände: Plasmen (frei geladene Teilchen, aus denen sich Energie zusammensetzt) und Kolloide (die "Zwischenstufen" bilden zwei Zustände auf einmal, wie Butter).
Es gibt jedoch mehr als ein Dutzend anderer Zustände, die nur in sehr kleinen Maßstäben oder unter sehr phänomenalen Ereignissen beobachtet werden können. Eine davon ist Quantenspin Liquid: ein chaotischer Zustand, der ein wenig mehr Erklärung erfordert, bevor Sie sich wirklich mit dem, was passiert, befassen kann.
Gemäß der Quantenmechanik kann jedes Teilchen zwei Arten von Drehimpulsen aufweisen. Der erste ist der Orbital-Drehimpuls und der zweite ist der Spin. Eine grobe Analogie für diese beiden Aktionen ist ein Planet, der sich um die Sonne dreht und sowohl eine Umlaufbahn als auch eine axiale Drehung aufweist.
Wenn ein System eine Reihe interagierender Quanten-Spins erreicht hat, wird angenommen, dass es sich in einem ungeordneten Zustand befindet, genauso wie flüssiges Wasser im Vergleich zu festem Eis ungeordnet ist. Quantum Spin Liquid hat ein ähnliches Verhalten, jedoch bei niedrigen Temperaturen. Anstatt sich in einem einheitlichen Muster zu treffen, etwa um Substanzen in einem festen Zustand zusammenzubringen, wirkt ein Stück Materie, die sich im Quantenflüssigkeitsspin befindet, weiterhin unberechenbar wie eine heiße Suppe. Tatsächlich ist die Aktivität so extrem, dass die Partikel tatsächlich auseinanderfallen. Diese Szene widerspricht genau dem, was Sie in kalten Umgebungen erwarten würden.
In diesem Fall beobachtete das Forschungsteam Bruchteilchen, die als Majorana-Fermionen bekannt sind, in einem zweidimensionalen Material, das Graphen ähnelt. Was sie beobachteten, ähnelte einem hypothetischen Quanten-Spin-Liquid-Modell, das als Kitaev-Modell bekannt ist. Die Ergebnisse bedeuten schließlich das Ende einer 40-jährigen Suche nach diesem Sachverhalt.
Genauer gesagt, die neuen Quanten-Spin-Flüssigbeobachtungen beleuchten eine Eigenschaft, die als Elektronensplitting bekannt ist. Dies könnte eines Tages dazu beitragen, neue Arten von Quantencomputern zu konstruieren, die weitaus schneller arbeiten als heutige Maschinen, indem sie die Grenzen herkömmlicher Materialien umgehen.
Ein solcher Durchbruch hat Jahrzehnte in die Zukunft. Die bloße Tatsache, dass wir einen neuen Zustand der Materie im Fleisch beobachten konnten, ist nur ein weiteres Zeichen dafür, dass der Mensch noch nicht an der Oberfläche kratzen muss, um zu verstehen, wie die natürliche Welt funktioniert.
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