Cristallo temporale in un computer quantistico

 

Cristallo temporale in un computer quantistico

I ricercatori hanno creato e osservato una nuova fase della materia, popolarmente conosciuta come un cristallo temporale.

C'è un enorme sforzo globale per progettare un computer in grado di sfruttare la potenza della fisica quantistica per eseguire calcoli di complessità senza precedenti. Mentre formidabili ostacoli tecnologici si frappongono ancora alla creazione di un tale computer quantistico, i primi prototipi di oggi sono ancora capaci di imprese notevoli.


Per esempio, la creazione di una nuova fase della materia chiamata "cristallo temporale". Proprio come la struttura di un cristallo si ripete nello spazio, un cristallo di tempo si ripete nel tempo e, cosa importante, lo fa all'infinito e senza alcun ulteriore input 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 nella teoria e nell'esperimento - uno che ora finalmente è arrivato a compimento.


In una ricerca pubblicata il 30 novembre su Nature, un team di scienziati dell'Università di Stanford, Google Quantum AI, l'Istituto Max Planck per la fisica dei sistemi complessi e l'Università di Oxford descrivono in dettaglio la loro creazione di un cristallo del tempo 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 pensare a loro come sistemi quantistici complessi a sé stanti", ha detto Matteo Ippoliti, uno studioso post-dottorato a Stanford e co-autore principale del lavoro. "Invece del calcolo, stiamo mettendo il computer al lavoro come una nuova piattaforma sperimentale per realizzare e rilevare nuove fasi della materia".


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


"I cristalli di tempo sono un esempio sorprendente di un nuovo tipo di fase quantistica di non-equilibrio della materia", ha detto Vedika Khemani, assistente professore di fisica a Stanford e autore senior del documento. "Mentre gran parte della nostra comprensione della fisica della materia condensata è basata su sistemi di equilibrio, questi nuovi dispositivi quantistici ci stanno fornendo un'affascinante finestra su nuovi regimi di non-equilibrio nella fisica dei molti corpi".


Cos'è e non è un cristallo temporale

Gli ingredienti di base per fare questo cristallo temporale sono i seguenti: L'equivalente fisico di un moscerino della frutta e qualcosa che gli dia una spinta. Il moscerino della fisica è il modello di Ising, uno strumento di lunga data per la comprensione di vari fenomeni fisici - comprese le transizioni di fase e il magnetismo - che consiste in un reticolo in cui ogni sito è occupato da una particella che può essere in due stati, rappresentati come uno spin up o down.

Durante gli anni della laurea, 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 involontariamente in questa ricetta per fare cristalli di tempo. Stavano studiando sistemi localizzati a molti corpi non in equilibrio - sistemi in cui le particelle rimangono "bloccate" nello stato in cui sono partite e non possono mai rilassarsi in uno stato di equilibrio. Erano interessati a esplorare le fasi che potrebbero svilupparsi in tali sistemi quando sono periodicamente "calciati" da un laser. Non solo sono riusciti a trovare fasi stabili di non-equilibrio, ma ne hanno trovata una in cui le rotazioni delle particelle si scambiano tra modelli che si ripetono nel tempo per sempre, a un periodo doppio rispetto al periodo di guida del laser, creando così un cristallo temporale.


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 temporale non è così. Invece, le rotazioni passano da uno stato all'altro, completando un ciclo solo dopo essere state colpite due volte dal laser. Questo significa che la "simmetria di traslazione temporale" del sistema è rotta. Le simmetrie giocano un ruolo fondamentale nella fisica, e sono spesso rotte - spiegando le origini dei cristalli regolari, dei magneti e di molti altri fenomeni; tuttavia, la simmetria di 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 un cristallo temporale unico è che si tratta di un sistema di milioni di cose che mostrano questo tipo di comportamento concertato senza alcuna energia in entrata o in uscita.


"È una fase completamente robusta della materia, in cui non stai regolando i parametri o gli stati, ma il tuo sistema è ancora quantistico", ha detto Sondhi, professore di fisica a Oxford e co-autore del documento. "Non c'è alimentazione di energia, non c'è scarico di energia, e continua ad andare avanti per sempre e coinvolge molte particelle fortemente interagenti".


Mentre questo può suonare sospettosamente vicino a una "macchina a moto perpetuo", uno sguardo più attento rivela che i cristalli di tempo non infrangono nessuna 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 progetto di un cristallo di tempo e l'esperimento del computer quantistico che lo ha portato alla realtà, molti esperimenti di molte squadre diverse di ricercatori hanno raggiunto varie pietre miliari del cristallo di quasi-tempo. Tuttavia, fornire tutti gli ingredienti della ricetta per la "localizzazione di molti corpi" (il fenomeno che permette un cristallo di tempo infinitamente stabile) era rimasta una sfida eccezionale.


Per Khemani e i suoi collaboratori, il passo finale verso il successo del cristallo di tempo è stato lavorare con un team di Google Quantum AI. Insieme, questo gruppo ha usato l'hardware di calcolo quantistico Sycamore di Google per programmare 20 "rotazioni" utilizzando la versione quantistica dei bit di informazione di un computer classico, noti come qubit.


Rivelando quanto sia intenso l'interesse per i cristalli temporali, un altro cristallo temporale è stato pubblicato su Science questo mese. Questo cristallo è stato creato utilizzando dei 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 temporale grazie a speciali capacità del computer quantistico. Anche se la dimensione finita e il tempo di coerenza del dispositivo quantistico (imperfetto) hanno fatto sì che il loro esperimento fosse limitato nelle dimensioni e nella durata - in modo che le oscillazioni del cristallo del tempo potessero essere osservate solo per alcune centinaia di cicli piuttosto che indefinitamente - i ricercatori hanno ideato vari protocolli per valutare la stabilità della loro creazione. Questi includevano l'esecuzione della simulazione in 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 suoi stessi limiti", ha detto Moessner, co-autore dell'articolo e direttore del Max Planck Institute for Physics of Complex Systems. "Ci ha essenzialmente detto come correggere i suoi stessi errori, in modo che l'impronta del comportamento cristallino a tempo ideale potesse essere accertata dalle osservazioni a tempo finito".

Una firma chiave di un cristallo a tempo ideale è che mostra oscillazioni indefinite da tutti gli stati. Verificare questa robustezza alla scelta degli stati era una sfida sperimentale chiave, e i ricercatori hanno ideato un protocollo per sondare oltre un milione di stati del loro cristallo di tempo in una sola esecuzione della macchina, richiedendo solo millisecondi di tempo di esecuzione. Questo è come vedere un cristallo fisico da molte angolazioni per verificare la sua struttura ripetitiva.

"Una caratteristica unica del nostro processore quantistico è la sua capacità di creare stati quantici altamente complessi", ha detto Xiao Mi, un ricercatore di Google e co-autore principale del documento. "Questi stati permettono di verificare efficacemente le strutture di fase della materia senza dover indagare l'intero spazio computazionale - un compito altrimenti intrattabile".

Creare una nuova fase della materia è indubbiamente 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 più e migliori qubit, il nostro approccio può diventare un metodo principale nello studio delle dinamiche di non-equilibrio", ha detto Pedram Roushan, ricercatore di Google e autore senior del documento.

"Pensiamo che l'uso più eccitante per i computer quantistici in questo momento sia come piattaforme per la fisica quantistica fondamentale", ha detto Ippoliti. "Con le capacità uniche di questi sistemi, c'è la speranza che si possa scoprire qualche nuovo fenomeno che non era stato previsto".

Questo lavoro è stato condotto dalla Stanford University, Google Quantum AI, l'Istituto Max Planck per la fisica dei sistemi complessi e l'Università di Oxford. La lista completa degli autori è disponibile nell'articolo di Nature.

Questa ricerca è stata finanziata dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), un Google Research Award, la Sloan Foundation, la Gordon and Betty Moore Foundation e la Deutsche Forschungsgemeinschaft.



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