Cosa sono i cristalli temporali, appena ottenuti con il computer quantistico di Google

Sono particolari strutture che si ripetono e sono regolari nel tempo invece che nello spazio, come avviene per i cristalli tradizionali. Un gruppo di Stanford li ha ottenuti grazie al processore quantistico Sycamore.

I fisici hanno creato in laboratorio un nuovo stato della materia, i cosiddetti cristalli temporali, particolari strutture che si ripetono periodicamente nel tempo, mentre i cristalli normali, quelli che conosciamo, si ripetono nello spazio. I cristalli temporali sono oggetti molto particolari, teorizzati in anni recenti e spiegati dalle leggi della meccanica quantistica, le cui prime prove sperimentali stanno arrivando adesso. Oggi un team dell'università di Stanford, di Oxford e del Max Planck Institute, insieme a Google Quantum AI Lab, ha riprodotto queste insolite strutture utilizzando il processore quantistico Sycamore di Google. I risultati, pubblicati su Nature, potrebbero aiutarci a comprendere meglio complesse proprietà della fisica e trovare applicazioni nei computer quantistici del futuro.

Cosa sono i cristalli temporali

L'ipotesi teorica dell'esistenza di cristalli temporali è stata avanzata nel 2012 ad opera del fisico premio Nobel Franck Wilczek, docente al Mit. La prima riproduzione in laboratorio è invece avvenuta nel 2017, descritta in un lavoro su Nature. In generale i cristalli classici sono strutture solide, composte da atomi, molecole o ioni, che per definizione hanno una disposizione geometrica definita e che si ripetono nelle tre dimensioni spaziali. In pratica si tratta di reticoli geometrici dove atomi o molecole si distribuiscono in maniera regolare. 

Frank Wilczek

Nel caso dei cristalli temporali, la regolarità si manifesta e si dispiega non nello spazio ma nel tempo. Sono strutture, diverse da quelle che immaginiamo – nel caso classico, dal sale ai diamanti, dagli smeraldi ai rubini – che si modificano costantemente nel tempo e poi tornano sempre periodicamente nella configurazione iniziale. Sono di fatto catene di atomi che pulsano in assenza di energia, restando in movimento nel tempo senza richiedere l’azione di una forza esterna. 

Questo avviene grazie a particolari proprietà al momento spiegate con le leggi della meccanica quantistica. Per questo gli oggetti sono molto stabili e non vengono perturbati dalle sollecitazioni esterne. La loro resistenza, inoltre, li rende molto interessanti per lo sviluppo dei potentissimi computer quantistici.

Le prime prove con i computer quantistici

In teoria, inoltre, i cristalli temporali, se isolati perfettamente, potrebbero funzionare indefinitamente, nella pratica ottenerli è molto complesso e la loro durata è di qualche frazione di secondo. In un recente esperimento pubblicato su Science, per esempio, gli scienziati sono riusciti a tenerli in vita per alcuni secondi. In questo lavoro su Science il cristallo temporale è stato ottenuto utilizzando i qubit, le unità dell'informazione quantistica, all'interno di un diamante.

Anche oggi gli scienziati dell'università di Stanford, guidati da Vedika Khemani, e del team di Google hanno trasformato un gruppo di qubit in un cristallo temporale, mediante l'uso del computer quantistico di Google Sycamore. Qui l'immagine del chip utilizzato. 

Il chip di Google Sycamore (foto: Google Quantum AI)

Queste catene di qubit hanno di fatto dimostrato di avere una simmetria temporale (e non spaziale, come i cristalli classici), riprodotta durante tutto l'esperimento. Il sistema si ripeteva nel tempo e il tutto in assenza di un intervento esterno, senza fornire energia. Per questo gli autori ritengono di aver creato con questo sistema un cristallo temporale discreto. “I cristalli temporali – commenta Khemani – sono un esempio lampante di un nuovo tipo di fase quantistica della materia al non-equilibrio”. 

Al momento sono oggetti studiati soltanto dalla teoria o in questi primi esperimenti. Ma la ricerca sull'argomento sta crescendo, come dimostra la recente pubblicazione su Science e la presenza di altri studi, sempre del 2021, per esempio su Physical Review Letters e Physical Review B. E chissà che un domani i cristalli temporali non diventino realtà in maniera più diffusa.

Secondo i resoconti dei media stranieri, i ricercatori hanno recentemente sviluppato un nuovo cristallo temporale utilizzando computer quantistici. I cristalli temporali possono sempre ruotare tra due stati senza perdere energia, quindi hanno evitato con successo uno dei più importanti definizioni di fisica – la seconda legge della termodinamica. La legge stabilisce che il disordine del sistema isolato (cioè “entropia”) deve essere sempre crescente. E questo magico cristallo temporale sarà sempre stabile.

Secondo uno studio pubblicato nel database arXiv il 28 luglio di quest’anno, gli scienziati utilizzano Google (una versione per computer quantistica dei tradizionali bit di computer) per creare cristalli temporali al centro del processore quantistico Sycamore di Google. Circa 100 secondi.

Questa strana nuova condizione e il comportamento fisico che rivela eccitano così tanto gli scienziati che nove anni fa le persone predissero l’esistenza dei cristalli nel tempo.

Dal punto di vista dei fisici, i cristalli temporali sono un oggetto molto magico perché non sono governati dalla seconda legge della termodinamica, una delle leggi più infrangibili della fisica. La legge afferma che l’entropia è sempre in aumento. Se vuoi migliorare l’ordine, devi aumentare l’energia.

Questa tendenza al disordine può spiegare molti casi, ad esempio perché gli ingredienti sono facili da mescolare ma la miscela è difficile da separare, o i cavi degli auricolari nelle tasche sono sempre arricciati insieme. Questa legge determina anche la direzione della freccia del tempo: l’universo passato sarà sempre più ordinato dell’universo presente. Ad esempio, se capovolgi il film, ha un aspetto diverso perché il flusso di questa entropia va contro la tua intuizione.

Il quantismo può cambiare la nostra esistenza?

Ma i cristalli temporali non seguono questa legge. Non raggiunge gradualmente l’equilibrio termico (cioè l’energia o la temperatura è distribuita uniformemente attorno ad esso), ma è intrappolata tra due stati energetici al di sopra dell’equilibrio termico e si sposta avanti e indietro tra questi due stati.

Per illustrare quanto sia insolito questo fenomeno, facciamo un esempio: supponiamo che una scatola chiusa venga riempita di monete e poi agitata un milione di volte. Mentre queste monete saltano avanti e indietro nella scatola, “diventano sempre più confuse e passano tutte le possibili disposizioni” fino a quando la scossa non si ferma. Dopo aver aperto la scatola, tutte le monete all’interno sono disposte casualmente, metà in alto e metà in basso. Indipendentemente da come vengono inizialmente posizionate le monete nella scatola, possiamo prevedere che alla fine appariranno in questo disordine, metà superiore e metà inferiore.

Nella “scatola” del processore quantistico Sycamore di Google, ora possiamo pensare al quid come a una valuta particolare. I quits possono essere 0 o 1, o possono essere la super posizione di questi due stati, poiché una moneta è rivolta o il suo retro è sopra. La cosa strana dei cristalli temporali è che non importa quante volte “scuotono” tra due stati, le interruzioni dei cristalli temporali non possono essere convertite a un livello di energia molto basso (equivalente alla disposizione casuale delle monete). Passa dalla posizione di partenza al secondo livello e poi salta di nuovo.

Il cristallo del tempo non apparirà alla fine come una forma casuale, ma sarà bloccato tra due stati. È come ricordare il suo stato iniziale e poi ripetere questo metodo. Da questo punto di vista, il cristallo del tempo è come un pendolo che non smette di oscillare.

“Anche se isoli fisicamente un’oscillazione dall’intero universo con zero attrito e resistenza al vento, alla fine smetterà di oscillare. Questo è il risultato della seconda legge della termodinamica”. È stato uno dei primi scienziati a scoprire il potenziale di questa nuova sostanza nel 2015, ha sottolineato. “L’energia è inizialmente concentrata nel centro di massa del pendolo, ma alla fine cambierà sempre. Questo è il grado di libertà interno della materia come la vibrazione degli atomi all’interno di un filo di pendolo”.

In effetti, gli oggetti su larga scala non possono essere come i cristalli temporali, perché solo la legge dominante della meccanica quantistica mondiale microscopica può creare cristalli temporali.

Nel mondo quantistico, gli oggetti hanno le doppie proprietà di particelle e onde. La lunghezza d’onda in una data area dello spazio indica la probabilità di trovare una particella in quello spazio. Tuttavia, la casualità (come i difetti casuali nella struttura cristallina o la casualità della forza di contatto tra le interruzioni) può far sì che le onde delle particelle si annullino l’una con l’altra a una distanza diversa da una piccola frazione. In questo modo, la posizione della particella viene regolata in modo che non possa muoversi o cambiare posizione o raggiungere l’equilibrio termico con l’ambiente circostante, cioè la particella è localizzata.

I ricercatori utilizzano il processo di localizzazione delle particelle su base sperimentale. Hanno usato 20 alluminio superconduttore come trapunte e poi hanno impostato ciascuno di essi in uno dei due possibili stati. Successivamente, queste barre di alluminio superconduttore sono state bombardate con raggi a microonde e trasferite in un altro stato.