Gli scienziati di Google ora affermano in modo piuttosto eccitante che i loro risultati stabiliscono un “approccio scalabile” per studiare i cristalli temporali sugli attuali processori quantistici.
Di Marko Aliaksandr/Shutterstock
In un nuovo documento di ricerca, gli scienziati di Google affermano di aver utilizzato un processore quantistico per un'utile applicazione scientifica: osservare un vero cristallo temporale.
Se “cristallo temporale” suona piuttosto fantascienza è perché lo sono. I cristalli temporali non sono altro che una nuova “fase della materia”, come affermano i ricercatori, che da alcuni anni è stata teorizzata come un nuovo stato che potrebbe potenzialmente unirsi ai ranghi di solidi, liquidi, gas, cristalli e così via. Il documento rimane in fase di prestampa e richiede ancora una revisione paritaria.
Anche i cristalli temporali sono difficili da trovare. Ma gli scienziati di Google ora affermano in modo piuttosto eccitante che i loro risultati stabiliscono un “approccio scalabile” per studiare i cristalli temporali sugli attuali processori quantistici.
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Capire perché i cristalli temporali sono interessanti richiede un po' di conoscenza della fisica, in particolare la conoscenza della seconda legge della termodinamica, che afferma che i sistemi tendono naturalmente a stabilirsi in uno stato noto come “massima entropia”.
Per fare un esempio: se versi del latte in una tazza di caffè, il latte alla fine si dissolverà nel caffè, invece di sedersi sulla parte superiore, consentendo all'intero sistema di raggiungere un equilibrio. Questo perché ci sono molti più modi in cui il caffè si distribuisce casualmente nel caffè piuttosto che in modo che si sieda, in modo più ordinato, nella parte superiore della tazza.
Questa spinta irresistibile verso l'equilibrio termico, come descritto nella seconda legge della termodinamica, riflette il fatto che tutte le cose tendono a muoversi verso stati meno utili e casuali. Col passare del tempo, i sistemi degenerano inevitabilmente nel caos e nel disordine, cioè nell'entropia.
I cristalli temporali, d'altra parte, non riescono a stabilirsi in equilibrio termico. Invece di degenerare lentamente verso la casualità, rimangono bloccati in due configurazioni ad alta energia tra le quali si alternano e questo processo avanti e indietro può andare avanti all'infinito.
Per spiegarlo meglio, Curt von Keyserlingk, docente presso la scuola di fisica e astronomia dell'Università di Birmingham, che non ha partecipato all'ultimo esperimento di Google, tira fuori alcune diapositive da un discorso introduttivo ai potenziali studenti universitari. “Di solito fingono di capire, quindi potrebbe essere utile”, avverte von Keyserlingk a ZDNet.
Inizia con un esperimento mentale: prendi una scatola in un sistema chiuso e isolato dal resto dell'universo, caricala con un paio di dozzine di monete e agitala un milione di volte. Mentre le monete si capovolgono, cadono e rimbalzano l'una sull'altra, si spostano casualmente di posizione e diventano sempre più caotiche. All'apertura della scatola, l'aspettativa è che ti troverai di fronte a circa metà delle monete sul lato della testa e metà sulla coda.
Non importa se l'esperimento è iniziato con più monete in coda o più monete in testa: il sistema dimentica quale era la configurazione iniziale e diventa sempre più casuale e caotico man mano che viene scosso.
Questo sistema chiuso, quando viene tradotto nel dominio quantistico, è l'ambiente perfetto per cercare di trovare i cristalli del tempo, e l'unico conosciuto fino ad oggi. “Gli unici cristalli temporali stabili che abbiamo immaginato nei sistemi chiusi sono la meccanica quantistica”, afferma von Keyserlingk.
Entra nel processore quantistico di Google, Sycamore, che è ben noto per aver raggiunto la supremazia quantistica e ora è alla ricerca di un qualche tipo di applicazione utile per l'informatica quantistica.
Un processore quantistico, per definizione, è uno strumento perfetto per replicare un sistema quantomeccanico. In questo scenario, il team di Google ha rappresentato le monete nella scatola con i qubit che ruotano verso l'alto e verso il basso in un sistema chiuso; e invece di scuotere la scatola, hanno applicato una serie di operazioni quantistiche specifiche che possono cambiare lo stato dei qubit, che hanno ripetuto molte volte.
È qui che i cristalli del tempo sfidano tutte le aspettative. Guardare il sistema dopo un certo numero di operazioni, o scosse, rivela una configurazione di qubit che non è casuale, ma sembra piuttosto simile all'impostazione originale.
“Il primo ingrediente che costituisce un cristallo temporale è che ricorda ciò che stava facendo inizialmente. Non dimentica”, afferma von Keyserlingk. “Il sistema monete-in-a-box dimentica, ma un sistema a cristallo temporale no.”
Non si ferma qui. Scuoti il sistema un numero pari di volte e otterrai una configurazione simile a quella originale, ma scuotilo un numero dispari di volte e otterrai un'altra configurazione, in cui le code sono state capovolte in testa e vice -versa.
E non importa quante operazioni vengono eseguite sul sistema, sarà sempre flip-flop, andando regolarmente avanti e indietro tra questi due stati.
Gli scienziati chiamano questo un'interruzione nella simmetria del tempo, motivo per cui i cristalli temporali sono chiamati così. Questo perché l'operazione svolta per stimolare il sistema è sempre la stessa, eppure la risposta arriva solo a scosse alterne.
“Nell'esperimento di Google, fanno una serie di operazioni su questa catena di giri, poi fanno esattamente la stessa cosa ancora e ancora. Fanno la stessa cosa al centesimo passo che fanno al milionesimo, se vanno fin qui”, dice von Keyserlingk.
“Quindi sottopongono il sistema a una serie di condizioni che hanno simmetria, eppure il sistema risponde in un modo che rompe quella simmetria. È lo stesso ogni due periodi invece che ogni periodo. Questo è ciò che lo rende letteralmente un cristallo del tempo.”
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Il comportamento dei cristalli temporali, dal punto di vista scientifico, è affascinante: contrariamente a ogni altro sistema conosciuto, non tendono al disordine e al caos. A differenza delle monete nella scatola, che vengono tutte confuse e si assestano a circa metà testa e metà croce, contrastano la legge dell'entropia rimanendo bloccate in uno speciale stato di cristallo temporale.
In altre parole, sfidano la seconda legge della termodinamica, che definisce essenzialmente la direzione che prendono tutti gli eventi naturali. Rifletti per un momento.
Tali sistemi speciali non sono facili da osservare. I cristalli temporali sono un argomento di interesse dal 2012, quando il professore del MIT premio Nobel Frank Wilczek ha iniziato a pensarci; e la teoria è stata confutata, dibattuta e contraddetta molte volte da allora.
Finora sono stati fatti diversi tentativi per creare e osservare i cristalli del tempo, con vari gradi di successo. Solo il mese scorso, un team della Delft University of Technology nei Paesi Bassi ha pubblicato una prestampa che mostrava di aver costruito un cristallo temporale in un processore a diamante, sebbene un sistema più piccolo di quello sostenuto da Google.
I ricercatori del gigante della ricerca hanno utilizzato un chip con 20 qubit per fungere da cristallo temporale, molti di più, secondo von Keyserlingk, di quanto sia stato realizzato fino ad ora e di quanto si potrebbe ottenere con un computer classico.
Utilizzando un laptop, è abbastanza facile simulare circa 10 qubit, spiega von Keyserlingk. Aggiungine di più e i limiti dell'hardware attuale vengono presto raggiunti: ogni qubit in più richiede quantità esponenziali di memoria.
Lo scienziato si ferma prima di affermare che questo nuovo esperimento è uno spettacolo di supremazia quantistica. “Non sono abbastanza lontani da permettermi di dire che è impossibile farlo con un computer classico, perché potrebbe esserci un modo intelligente di metterlo su un computer classico a cui non ho pensato”, dice von Keyserlingk .
“Ma penso che questa sia di gran lunga la dimostrazione sperimentale più convincente di un cristallo temporale fino ad oggi.”
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La portata e il controllo dell'esperimento di Google significano che è possibile osservare i cristalli temporali più a lungo, eseguire serie dettagliate di misurazioni, variare le dimensioni del sistema e così via. In altre parole, è una dimostrazione utile che potrebbe davvero far progredire la scienza e, in quanto tale, potrebbe essere fondamentale per mostrare il ruolo centrale che i simulatori quantistici svolgeranno nel consentire scoperte in fisica.
Ci sono, ovviamente, alcuni avvertimenti. Come tutti i computer quantistici, il processore di Google soffre ancora di decoerenza, che può causare un decadimento degli stati quantistici dei qubit e significa che le oscillazioni dei cristalli temporali si estinguono inevitabilmente quando l'ambiente interferisce con il sistema.
La prestampa, tuttavia, sostiene che man mano che il processore viene isolato in modo più efficace, questo problema potrebbe essere mitigato.
Una cosa è certa: i cristalli temporali non saranno presto nei nostri salotti, perché gli scienziati devono ancora trovare un'applicazione utile definitiva per loro. È improbabile, quindi, che l'esperimento di Google riguardasse l'esplorazione del valore commerciale dei cristalli temporali; piuttosto, mostra quella che potrebbe essere un'altra delle prime applicazioni dell'informatica quantistica e un'altra dimostrazione dell'abilità tecnologica dell'azienda in una nuova area di sviluppo fortemente contestata.
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