Ad esempio, la creazione di una nuova fase della materia chiamata "cristallo del tempo". Proprio come la struttura di un cristallo si ripete nello spazio, un cristallo del tempo si ripete nel tempo e, cosa importante, lo fa all'infinito e senza alcun ulteriore apporto di energia, come un orologio che funziona per sempre senza batterie. La ricerca per realizzare questa fase della materia è stata una sfida di lunga data in teoria e sperimentazione, che ora è finalmente giunta a buon fine.

Nella ricerca pubblicata il 30 novembre su Nature , un team di scienziati della Stanford University, di Google Quantum AI, del Max Planck Institute for Physics of Complex Systems e dell'Università di Oxford descrive in dettaglio la loro creazione di un cristallo temporale utilizzando l'hardware di calcolo quantistico Sycamore di Google.

"Il quadro generale è che stiamo prendendo i dispositivi che dovrebbero essere i computer quantistici del futuro e li consideriamo come sistemi quantistici complessi a tutti gli effetti", ha affermato Matteo Ippoliti, studioso post-dottorato a Stanford e co-autore principale del lavoro. "Invece del calcolo, stiamo mettendo il computer in funzione come una nuova piattaforma sperimentale per realizzare e rilevare nuove fasi della materia".

Per il team, l'entusiasmo per il loro successo risiede non solo nel creare una nuova fase della materia, ma nell'aprire opportunità per esplorare nuovi regimi nel loro campo di fisica della materia condensata, che studia i nuovi fenomeni e le proprietà determinati dalle interazioni collettive di molti oggetti in un sistema. (Tali interazioni possono essere molto più ricche delle proprietà dei singoli oggetti.)

"I cristalli temporali sono un esempio lampante di un nuovo tipo di fase quantistica di non equilibrio della materia", ha affermato Vedika Khemani, assistente professore di fisica a Stanford e autore senior dell'articolo. "Sebbene gran parte della nostra comprensione della fisica della materia condensata sia basata su sistemi di equilibrio, questi nuovi dispositivi quantistici ci stanno fornendo un'affascinante finestra sui nuovi regimi di non equilibrio nella fisica a molti corpi".

Il cristallo del tempo che è e non è

Gli ingredienti di base per realizzare questo cristallo di tempo sono i seguenti: l'equivalente fisico di un moscerino della frutta e qualcosa per dargli un calcio. Il moscerino della frutta della fisica è il modello di Ising, uno strumento di lunga data per la comprensione di vari fenomeni fisici - tra cui transizioni di fase e magnetismo - che consiste in un reticolo in cui ogni sito è occupato da una particella che può essere in due stati, rappresentato come un gira su o giù.

Durante i suoi anni di scuola di specializzazione, Khemani, il suo consulente di dottorato Shivaji Sondhi, allora all'Università di Princeton, e Achilleas Lazarides e Roderich Moessner al Max Planck Institute for Physics of Complex Systems si sono imbattuti in questa ricetta per creare cristalli di tempo involontariamente. Stavano studiando sistemi localizzati a molti corpi di non equilibrio -- sistemi in cui le particelle si "bloccano" nello stato in cui erano iniziate e non possono mai rilassarsi in uno stato di equilibrio. Erano interessati ad esplorare le fasi che potrebbero svilupparsi in tali sistemi quando vengono periodicamente "calci" da un laser. Non solo sono riusciti a trovare fasi stabili di non equilibrio, ma ne hanno trovata una in cui gli spin delle particelle oscillavano tra schemi che si ripetono nel tempo per sempre, in un periodo doppio rispetto al periodo di guida del laser,

Il calcio periodico del laser stabilisce un ritmo specifico alla dinamica. Normalmente la "danza" delle rotazioni dovrebbe sincronizzarsi con questo ritmo, ma in un cristallo di tempo non è così. Invece, le rotazioni si alternano tra due stati, completando un ciclo solo dopo essere stati calciati dal laser due volte . Ciò significa che la "simmetria di traslazione temporale" del sistema è rotta. Le simmetrie giocano un ruolo fondamentale in fisica e spesso si rompono, spiegando l'origine dei cristalli regolari, dei magneti e di molti altri fenomeni; tuttavia, la simmetria della traslazione temporale si distingue perché, a differenza di altre simmetrie, non può essere rotta in equilibrio. Il calcio periodico è una scappatoia che rende possibili i cristalli di tempo.

Il raddoppio del periodo di oscillazione è insolito, ma non senza precedenti. E le oscillazioni di lunga durata sono anche molto comuni nella dinamica quantistica dei sistemi a poche particelle. Ciò che rende unico un cristallo del tempo è che è un sistema di milioni di cose che mostrano questo tipo di comportamento concertato senza che alcuna energia entri o fuoriesca.

"È una fase della materia completamente robusta, in cui non stai mettendo a punto parametri o stati ma il tuo sistema è ancora quantistico", ha affermato Sondhi, professore di fisica a Oxford e coautore dell'articolo. "Non c'è alimentazione di energia, non c'è drenaggio di energia, e continua all'infinito e coinvolge molte particelle fortemente interagenti".

Anche se questo può sembrare sospettosamente simile a una "macchina a moto perpetuo", uno sguardo più attento rivela che i cristalli temporali non infrangono alcuna legge della fisica. L'entropia - una misura del disordine nel sistema - rimane stazionaria nel tempo, soddisfacendo marginalmente la seconda legge della termodinamica non diminuendo.

Tra lo sviluppo di questo piano per un cristallo del tempo e l'esperimento con il computer quantistico che lo ha portato alla realtà, molti esperimenti di molti team diversi di ricercatori hanno raggiunto varie pietre miliari del quasi cristallo del tempo. Tuttavia, fornire tutti gli ingredienti nella ricetta per la "localizzazione di molti corpi" (il fenomeno che consente un cristallo temporale infinitamente stabile) era rimasta una sfida eccezionale.

Per Khemani e i suoi collaboratori, l'ultimo passo verso il successo cristallino è stato lavorare con un team di Google Quantum AI. Insieme, questo gruppo ha utilizzato l'hardware di calcolo quantistico Sycamore di Google per programmare 20 "giri" utilizzando la versione quantistica dei bit di informazioni di un computer classico, noti come qubit.

Rivelando quanto sia intenso attualmente l'interesse per i cristalli temporali, questo mese è stato pubblicato un altro cristallo temporale su Science . Quel cristallo è stato creato utilizzando qubit all'interno di un diamante dai ricercatori della Delft University of Technology nei Paesi Bassi.

Opportunità quantistiche

I ricercatori sono stati in grado di confermare la loro affermazione di un vero cristallo del tempo grazie alle capacità speciali del computer quantistico. Sebbene le dimensioni finite e il tempo di coerenza del dispositivo quantistico (imperfetto) significassero che il loro esperimento era limitato in termini di dimensioni e durata, in modo che le oscillazioni del cristallo temporale potessero essere osservate solo per poche centinaia di cicli anziché indefinitamente, i ricercatori hanno ideato vari protocolli per valutare la stabilità della loro creazione. Questi includevano l'esecuzione della simulazione avanti e indietro nel tempo e il ridimensionamento delle sue dimensioni.

"Siamo riusciti a utilizzare la versatilità del computer quantistico per aiutarci ad analizzare i propri limiti", ha affermato Moessner, coautore dell'articolo e direttore del Max Planck Institute for Physics of Complex Systems. "Essenzialmente ci ha detto come correggere i propri errori, in modo che l'impronta digitale del comportamento ideale del tempo-cristallino potesse essere accertata da osservazioni a tempo finito".

Un'indicazione chiave di un cristallo temporale ideale è che mostra oscillazioni indefinite da tutti gli stati. La verifica di questa solidità nella scelta degli stati è stata una sfida sperimentale chiave ei ricercatori hanno ideato un protocollo per sondare oltre un milione di stati del loro cristallo temporale in una sola corsa della macchina, richiedendo solo millisecondi di runtime. È come osservare un cristallo fisico da molte angolazioni per verificarne la struttura ripetitiva.

"Una caratteristica unica del nostro processore quantistico è la sua capacità di creare stati quantistici altamente complessi", ha affermato Xiao Mi, ricercatore di Google e co-autore principale dell'articolo. "Questi stati consentono di verificare efficacemente le strutture di fase della materia senza la necessità di indagare sull'intero spazio computazionale, un compito altrimenti intrattabile".

Creare una nuova fase della materia è indiscutibilmente eccitante a livello fondamentale. Inoltre, il fatto che questi ricercatori siano stati in grado di farlo indica la crescente utilità dei computer quantistici per applicazioni diverse dall'informatica. "Sono ottimista sul fatto che con qubit più numerosi e migliori, il nostro approccio possa diventare un metodo principale per lo studio delle dinamiche di non equilibrio", ha affermato Pedram Roushan, ricercatore di Google e autore senior dell'articolo.

"Pensiamo che l'uso più entusiasmante dei computer quantistici in questo momento sia come piattaforme per la fisica quantistica fondamentale", ha affermato Ippoliti. "Con le capacità uniche di questi sistemi, c'è speranza che tu possa scoprire qualche nuovo fenomeno che non avevi previsto".

Questo lavoro è stato condotto dalla Stanford University, da Google Quantum AI, dal Max Planck Institute for Physics of Complex Systems e dall'Università di Oxford. L'elenco completo degli autori è disponibile nel documento Nature .