Op het scherm van een laptop zie je rijen kleine, lichtblauwe vierkantjes oplichten, aan en uit, in een bijna rustgevend ritme. Voor een buitenstaander lijkt het op een simpel patroon, alsof iemand een digitaal schaakbord laat knipperen. Maar achter dat rustige beeld schuilt een verschijnsel dat de grenzen van de natuurkunde oprekt. In een kwantumcomputer is namelijk een bijzonder soort “klok” gebouwd, een structuur die tikt zonder ooit moe te worden. Wat daar precies gebeurt, is minder vanzelfsprekend dan het ritme doet vermoeden.
Als een klok die nooit stopt, maar dan van materie gemaakt
In het dagelijks leven staan klokken, magneten en ijsklontjes stil zolang je er niet aan zit. Ze veranderen niet spontaan van toestand. Een tijdkristal doet precies het tegenovergestelde: het blijft bewegen, ook als je niets “duwt”.
Waar een klassiek kristal – denk aan zout of ijs – bestaat uit atomen die zich ruimtelijk herhalen, laat een tijdkristal een herhaling in de tijd zien. Het kwantumsysteem doorloopt steeds opnieuw dezelfde reeks toestanden, alsof er een eindeloze, perfect getimede tik in verborgen zit.
Van idee dat de natuurwetten tart tot tastbaar experiment
Toen fysici dit concept voor het eerst opperden, leek het bijna een overtreding van de bekende natuurwetten. Blijvende beweging zonder energieverlies, dat roept associaties op met verboden perpetuum mobiles.
Toch is de kwantumwereld subtieler. De afgelopen tien jaar hebben laboratoria stap voor stap laten zien dat tijdkristallen echt kunnen bestaan, zonder de fysica te breken. Niet doordat energie wordt bijgemaakt, maar doordat het systeem in een speciale, periodieke kwantumtoestand vastklikt.
Van één lijn naar een volledig “tapijt” van qubits
Eerdere experimenten werkten vooral met eendimensionale tijdkristallen, te vergelijken met een lijn van atomen. Dat is overzichtelijk, maar beperkt. Het nieuwe werk gaat een flinke stap verder: een tweedimensionaal tijdkristal.
Onderzoekers gebruikten daarvoor een supergeleidende kwantumcomputer met 144 qubits in een patroon dat doet denken aan een honingraat. Geen enkele qubit staat op zichzelf; elk “praat” met zijn buren en samen vormen ze een vlak, eerder een tapijt dan een draad.
Wat doet een qubit hier eigenlijk?
Een qubit kun je je voorstellen als een minuscuul deeltje met een kwantumspin, een soort interne richting die niet alleen omhoog of omlaag is, maar in tussentoestanden kan zweven. Zulke spins komen ook voor in magnetische materialen.
In de kwantumcomputer kunnen onderzoekers instellen hoe sterk elke qubit met zijn buren interageert. Door die interacties in de tijd af te wisselen volgens een slim patroon, ontstaat een toestand die niet terugvalt naar rust, maar periodiek blijft schakelen tussen configuraties: het tijdkristal.
Complexiteit als sleutel: patronen in de interacties
Het bijzondere aan dit experiment is niet alleen de grootte, maar ook de verfijning. De interacties tussen qubits zijn niet overal even sterk; ze volgen een zorgvuldig geprogrammeerd patroon.
Dat maakt het systeem veel rijker. De onderzoekers kunnen zo niet alleen zeggen: “er is een tijdkristal”, maar ook nagaan wanneer en hoe het ontstaat, en in welke omstandigheden het juist verdwijnt. De honingraat van 144 qubits wordt daarmee een laboratorium voor exotische kwantumtoestanden.
Een fasediagram: de landkaart van alle mogelijke toestanden
Wie water wil begrijpen, kijkt niet alleen naar een glas op tafel. Fysici tekenen een fasediagram: een kaart die vertelt of water bij een bepaalde druk en temperatuur vast, vloeibaar of gasvormig is.
Met dit tijdkristal deden de onderzoekers iets vergelijkbaars. Ze onderzochten het volledige qubitsysteem en brachten alle mogelijke toestanden in kaart. Op sommige “coördinaten” in die kaart verschijnt het tijdkristal, op andere een meer gewone fase. Het resultaat is een soort atlas van kwantummaterie in de tijd.
Waarom een gewone computer hier niet meer bij kan
De vergelijkingen achter dit model zijn zo complex dat een klassieke computer ze niet meer precies kan uitrekenen. Alleen met benaderingen kom je nog ergens, en daarmee mis je gemakkelijk subtiele effecten. Vooral in twee dimensies loopt de rekencapaciteit snel vast.
Juist daar komt de kwantumcomputer in beeld. Die simuleert het systeem direct met echte qubits, zonder het volledig te hoeven “uitrekenen” zoals een klassieke machine dat doet. Zeker bij meer dan honderd qubits wordt zo’n simulatie een mijlpaal: het is numeriek bijna onbereikbaar langs de klassieke weg.
Kwantumcomputer en klassieke computer: geen concurrenten, maar partners
Kwantumcomputers zijn krachtig, maar nog niet foutloos. Ruis, storingen en kleine imperfecties kunnen de uitkomst vertekenen. Dat maakt ruwe resultaten op zichzelf onvoldoende.
In dit onderzoek werd daarom een terugkoppeling gebruikt: klassieke benaderingen voorspellen tot waar de kwantumcomputer betrouwbaar is, en de kwantumdata verfijnen op hun beurt de klassieke modellen. Het heen-en-weer tussen beide werelden levert uiteindelijk een robuuster beeld op van het tijdkristal en zijn fasediagram.
Een microscoop voor nieuwe vormen van materie
Wie gewend is aan vaste stoffen, vloeistoffen en gassen, krijgt er in de kwantumfysica nieuwe categorieën bij. Materiaal kan zich ordenen in patronen die niet zichtbaar zijn met het blote oog, maar des te duidelijker in de vergelijkingen.
In dat licht wordt de kwantumcomputer een soort microscoop voor nieuwe materiaalfasen. Hij maakt zichtbaar dat de natuur niet alleen in de ruimte, maar ook in de tijd een periodieke structuur kan aannemen. Tijdkristallen vormen zo een verrijking van wat onder “orde” kan worden verstaan.
Brug naar sensoren en toekomstige materialen
Het resultaat blijft niet beperkt tot een theoretische curiositeit. Bepaalde kwantumsensoren vertonen toestanden die sterk lijken op die van tijdkristallen. Door die verwantschap beter te begrijpen, kunnen ingenieurs in de toekomst mogelijk stabielere of gevoeligere sensoren ontwikkelen.
Tegelijk laat het experiment zien dat kwantumcomputers meer zijn dan rekensnelheden in tabellen. Ze worden inzetbaar als hulpmiddel om nieuwe materialen en kwantumfasen te ontwerpen, inclusief zulke vreemde verschijnselen als tijdkristallen.
Een nieuw ankerpunt in een nog onoverzichtelijk landschap
De realisatie van een tweedimensionaal tijdkristal met 144 qubits vormt een duidelijk ankerpunt in het onderzoek naar kwantummaterie. Het is een tastbaar voorbeeld dat laat zien tot welke complexiteit hedendaagse kwantumhardware al in staat is.
Voor de natuurkunde betekent het dat een abstract idee – een eeuwig tikkende klok op kwantumniveau – nu in detail kan worden bestudeerd. Zonder grote woorden, maar met een rustig groeiende reeks metingen, wordt zichtbaar dat de kwantumwereld nog veel vormen van orde verbergt die in het alledaagse leven eenvoudigweg niet voorkomen.
