Tidskristaller utlovar datorrevolution

Diamanter och snöflingor. Två exempel på kristaller, även om de skiljer sig något när det kommer till varaktighet och värde. Men nu har man upptäckt en helt ny sorts kristaller vars struktur inte bara existerar i rummet, utan i tiden.

Kristaller finns överallt. Det mesta av den materiella världen omkring oss består av kristaller i en eller annan form. Berget under våra fötter är kristallint. Rena metaller är ordnade i kristallmönster. Snö och is består av kristaller. Liksom socker och salt.

Ironiskt nog så är det mesta kristaller, utom det som vi tänker på som kristaller. Glas till exempel är inte kristallint, inte ens när det hänger från våra kristallkronor och glittrar vackert. Glas är amorft, det vill säga atomerna ligger huller om buller, utan någon struktur. Inte ens kristallglas är kristallint på riktigt.

Naturens egna smycken

Kristall är, kort sagt, en fas hos vissa ämnen där atomerna bildar ett regelbundet mönster som upprepar sig i alla tre dimensioner så att vi får de där nästan magiska, geometriska stavarna som tycks växa ut ur grottornas väggar. Och de kaleidoskopiska snöflingorna.

Men det är inte någon magi bakom. Kristaller är helt enkelt hur vissa ämnens atomer trillar på plats i sitt grundtillstånd. Det krävs ingen energi för att skapa dem.

Sedan ett antal år tillbaka har det förekommit spekulationer kring huruvida kristaller skulle kunna bildas inte bara i den materiella världen, utan i självaste tiden. Det var Frank Wilczek, Nobelprisvinnare i fysik som kastade fram tanken 2012.

Som sagt, kristaller är mönster som atomerna bildar i tre dimensioner, men kunde samma sak gälla också för den fjärde dimensionen – tiden?

Svar ja, som det skulle visa sig.

Symmetribrott

För att riktigt begripa det här så måste vi titta närmare på vad som händer med materia som inte gör någonting. En riktigt lat atom eller molekyl en kall måndagsmorgon i februari. Ingen energi påverkar den, den bara ligger där. Den befinner sig i det som fysiken kallar grundtillstånd.

Och så funkar naturen och fysikens lagar, att saker som inte gör någonting strävar efter symmetri. Eftersom symmetri är det tillstånd som kräver minsta möjliga mängd energi.

Men det finns saker och ting som bryter mot den här regeln. Kristaller är en av dem. Atomerna samlas och bildar alla dessa fantastiska geometriska former, kristaller, som om någon byggde dem. Men ingen förbrukar någon energi, ingen sliter och svettas, atomerna bara trillar på plats och bildar de här häftiga kristallmönstren. Och här är poängen: de är inte helt symmetriska.

Naturens andra brottsling när det kommer till symmetriregeln är magneterna. Inte heller de är symmetriska, de har en nordända och en sydända. Ingen vet riktigt hur magneten ”besluter” vilken ända som ska vara den nordliga och vilken som är den sydliga, men precis som korven har den hur som helst två ändor. Och det gör den asymmetrisk, till och med i grundtillståndet.

Tiden, den fjärde dimensionen

Med andra ord, om materian kommer undan med det här brottet och beter sig asymmetriskt i tre dimensioner, kanske den kan göra samma sak i den fjärde, alltså tiden. Och hur beter man sig då, om man inte är riktigt symmetrisk i tiden?

Jo, man rör på sig när man borde stå stilla.

För att ta ett exempel från den riktiga världen: tänk dig en kristallkrona (även om kristallglas som vi konstaterade tidigare inte är kristaller alls) som hänger från taket där hemma i din balsal. Den glittrar av "kristaller" i rummet, men för att få den att göra kristaller i tiden så borde den dansa. Den borde svänga trots att ingen svänger på den.

Och det här var exakt vad som visade sig hända när man testade saken på kvantnivå, i den riktigt lilla världen. Faktum är att flera forskarteam på olika håll i världen, på sistone har bevisat det här, men vi kan ta exemplet från University of Maryland i USA.

Heureka!

Där kylde forskarna ned en ring med ytterbiumjoner så att de befann sig i sitt grundtillstånd. Sedan gav de en av jonerna en ”knuff” i form av en laserpuls, de bytte spinn på den. Det här fick den första jonen att knuffa till den nästa så att den också bytte spinn, och så vidare, tills hela ringen oscillerade.

Dessutom, vilket var anmärkningsvärt, den oscillerade med en periodicitet som var dubbelt längre än den utlösande laserpulsen. Vilket tydde på att symmetrin var bruten, i tiden, och vad man därmed hade skapat var en tidskristall.

Tänk som sagt på det som en kristallkrona som du ger en knuff. Och den bara fortsätter svänga trots att du inte ger den några fler knuffar. Lite som en evighetsmaskin, säger någon nu säkert. Och naturen hatar evighetsmaskiner lika mycket som den ogillar folk som kör fortare än ljuset. Det är fullständigt förbjudet.

Men den här tidskristallen av ytterbiumjoner är ingen evighetsmaskin. Precis som grottkristallerna inte använder någon energi till att bilda sina geometriska skepnader, använde inte heller tidskristallen någon energi till att svänga. Jonerna befinner sig fortfarande i sina grundtillstånd.

Okej, men vad har jag för nytta av det här?

Jag upprepar, en tidskristall är alltså inte en evighetsmaskin. Vi kommer inte att kunna bygga kugghjul av tidskristaller som driver runt generatorer och skapar energi ur tomma intet. Det funkar inte så. Men den här uppfinningen kan komma att visa sig nyttig på andra sätt.

Som till exempel i framtidens kvantdatorer, nästa generations datorer med hastigheter som kan vara hundratals miljoner gånger snabbare än dagens superdatorer. Tidskristallerna kan komma att bli nyckelkomponenter när det gäller att spara information i kvantdatorer.

Kvantdatorer skiljer sig från vanliga datorer i och med att en vanlig dator fungerar med bitar, dataenheter som kan anta värdena noll eller ett. En kvantdator jobbar i sin tur med qubitar som kan anta värdena noll och ett på samma gång.

Kodknäckardatorer

Det här gör att de är särskilt bra på att lösa problem som har en väldigt stor mängd möjliga svar, som till exempel att knäcka koder. Inte så konstigt att man satsar särskilt mycket på kvantdatorer i militära kretsar just nu.

Problemet med kvantdatorer har hittills varit att det är oerhört svårt att läsa av eller förändra de känsliga kvanttillstånden utan att förstöra dem. Men när vi en gång har löst problemen som ligger i vägen så kommer vi att uppleva en datorrevolution som vi inte ens kan föreställa oss ännu.

Och här hoppas man alltså att tidskristallerna ska spela en viktig roll.

Oavsett var och hur tidskristallerna sist och slutligen kommer att användas till så är det som nu har upptäckts hur som helst en ny, hittills okänd materiens fas. Lite som att för första gången bevittna när is smälter och blir till vatten. Och bara det är stort!

För att inte tala om den flodvåg av progressiva, psykedeliska rockalbum som den här upptäckten sannolikt kommer att ge upphov till. Undertecknad lade märke till här på redaktionen att man inte kan nämna tidskristaller utan att folk undrar vad man har rökt…