Tijdkristallen klinken als iets uit sciencefiction, maar ze kunnen de volgende grote sprong zijn in het onderzoek naar kwantumnetwerken. Een team in Japan heeft een methode voorgesteld om tijdkristallen te gebruiken om enorme netwerken te simuleren met heel weinig rekenkracht.

Ze publiceerden hun resultaten op 16 oktober Vooruitgang in de wetenschap.

Voor het eerst getheoretiseerd in 2012 en waargenomen in 2017, tijdkristallen zijn arrangementen van materie die zich herhalen in de tijd. Normale kristallen, zoals diamanten of zout, herhalen hun atomaire zelforganisatie in de ruimte, maar vertonen geen regelmaat in de tijd. Tijdkristallen organiseren zichzelf en herhalen hun patronen in de tijd, wat betekent dat hun structuur periodiek verandert naarmate de tijd vordert.

"De verkenning van tijdkristallen is een zeer actief onderzoeksgebied en er zijn verschillende gevarieerde experimentele realisaties bereikt, " zei papier auteur Kae Nemoto, professor in de principes van de informatica-onderzoeksafdeling van het National Institute of Informatics. "Toch een intuïtief en volledig inzicht in de aard van tijdkristallen en hun karakterisering, evenals een reeks voorgestelde toepassingen, ontbreekt. In deze krant, we bieden nieuwe tools op basis van grafentheorie en statistische mechanica om deze leemte op te vullen."

Nemoto en haar team hebben specifiek onderzocht hoe de kwantumaard van tijdkristallen - hoe ze van moment naar moment verschuiven in een voorspelbare, herhalend patroon—kan worden gebruikt om grote, gespecialiseerde netwerken, zoals communicatiesystemen of kunstmatige intelligentie.

"In de klassieke wereld dit zou onmogelijk zijn omdat het een enorme hoeveelheid computerbronnen zou vergen, " zei Marta Estarellas, een van de eerste auteurs van het artikel van het National Institute of Informatics. "We brengen niet alleen een nieuwe methode om kwantumprocessen weer te geven en te begrijpen, maar ook een andere manier om naar kwantumcomputers te kijken."

Quantumcomputers kunnen meerdere staten van informatie opslaan en manipuleren, wat betekent dat ze enorme datasets kunnen verwerken met relatief weinig kracht en tijd door verschillende mogelijke uitkomsten tegelijkertijd op te lossen, in plaats van één voor één zoals klassieke computers.

"Kunnen we deze netwerkrepresentatie en zijn hulpmiddelen gebruiken om complexe kwantumsystemen en hun fenomenen te begrijpen, en toepassingen identificeren?" vroeg Nemoto. "In dit werk we laten zien dat het antwoord ja is."

De onderzoekers zijn van plan om verschillende kwantumsystemen te verkennen met behulp van tijdkristallen nadat hun aanpak experimenteel is getest. Met deze informatie, hun doel is om echte toepassingen voor te stellen voor het inbedden van exponentieel grote complexe netwerken in een paar qubits, of kwantumbits.

"Als je deze methode gebruikt met verschillende qubits, men zou een complex netwerk ter grootte van het gehele wereldwijde internet kunnen simuleren, ' zei Nemoto.