I ricercatori hanno compiuto un passo avanti nella fisica quantistica creando il cristallo temporale più complesso mai realizzato all’interno di un computer quantistico. Questo esperimento non si limita a spingere i confini di ciò che è possibile con questi stati esotici della materia; evidenzia inoltre il crescente potenziale dei computer quantistici come potenti strumenti per la scoperta scientifica.
Lo strano mondo dei cristalli del tempo
I cristalli tradizionali mostrano schemi ripetitivi nello spazio : pensa alla disposizione regolare degli atomi in un diamante. I cristalli del tempo, tuttavia, ripetono schemi nel tempo. Invece di restare fermi, attraversano le configurazioni indefinitamente, apparentemente sfidando le consuete regole della termodinamica.
Inizialmente, questo movimento perpetuo sembrava violare la fisica, ma nell’ultimo decennio gli scienziati sono riusciti a creare con successo cristalli temporali nei laboratori. L’ultimo progresso, guidato da Nicolás Lorente presso il Centro Internazionale di Fisica di Donostia in Spagna, utilizza un computer quantistico superconduttore IBM per costruire una versione molto più complessa che mai.
Da una dimensione a nido d’ape: un cristallo temporale 2D
Studi precedenti si concentravano principalmente su cristalli temporali unidimensionali, simili a una semplice linea di atomi. La squadra di Lorente ha accettato la sfida di costruire un cristallo temporale bidimensionale. Hanno utilizzato 144 qubit superconduttori, disposti secondo uno schema a nido d’ape, in cui ciascun qubit fungeva da particella con spin quantistico. Controllando con precisione le interazioni tra questi qubit, hanno indotto il comportamento del cristallo temporale.
La chiave non era solo creare il cristallo del tempo ma anche programmare le interazioni per produrre punti di forza e schemi specifici. Questo livello di controllo ha permesso loro di tracciare il “diagramma di fase” del sistema, essenzialmente un grafico completo che mostra tutti i possibili stati. Proprio come un diagramma di fase dell’acqua rivela se è liquida, solida o gassosa, questa mappa descrive in dettaglio il comportamento del sistema quantistico.
Perché è importante: i computer quantistici come strumenti di progettazione dei materiali
Jamie Garcia dell’IBM, non affiliato alla ricerca, suggerisce che questo esperimento potrebbe essere il primo passo verso l’utilizzo dei computer quantistici per progettare nuovi materiali. Comprendere l’intera gamma delle proprietà di un sistema quantistico, anche quelle insolite come i cristalli del tempo, potrebbe rivoluzionare la scienza dei materiali.
Attualmente, le simulazioni di modelli quantistici complessi sono troppo impegnative per i computer convenzionali, e spesso richiedono approssimazioni. Ma anche i computer quantistici esistenti non sono perfetti; soffrono di errori. Questa ricerca ha richiesto un approccio ibrido: utilizzare metodi convenzionali per stimare i punti in cui i risultati del computer quantistico diventano inaffidabili, e quindi sfruttare i calcoli esatti (anche se soggetti a errori) del computer quantistico.
Il futuro delle simulazioni quantistiche
Biao Huang dell’Accademia cinese delle scienze osserva che la simulazione di sistemi bidimensionali è notoriamente difficile dal punto di vista numerico. Questo esperimento, con oltre 100 qubit, fornisce un punto di riferimento vitale per la ricerca futura. Inoltre, potrebbe colmare il divario tra i cristalli temporali simulati sui computer quantistici e gli stati simili riscontrati nei sensori quantistici.
Questo lavoro rappresenta un entusiasmante progresso sperimentale per diverse aree di studio sulla materia quantistica. Nello specifico, potrebbe aiutare a connettere i cristalli temporali, che possono essere simulati su computer quantistici, a stati simili che possono essere creati in alcuni tipi di sensori quantistici.
La combinazione di metodi classici approssimativi e calcoli quantistici esatti (ma imperfetti) affinerà la nostra comprensione di modelli quantistici complessi, sbloccando potenzialmente nuove scoperte nella progettazione dei materiali e oltre.
Questo progresso rafforza l’idea che i computer quantistici non sono solo processori più veloci; sono macchine fondamentalmente diverse in grado di affrontare problemi che vanno oltre la portata del calcolo classico.
