In un articolo pubblicato online, i ricercatori di Google in collaborazione con i fisici di Stanford, Princeton e altre università affermano di aver utilizzato il computer quantistico proprietario di Google per la realizzazione di un vero e proprio cristallo temporale.
In quello che potrebbe rivelarsi un risultato incredibile per la fisica quantistica, cos’è esattamente un cristallo temporale? Un cristallo (tridimensionale) è fisicamente parlando è qualcosa che si ripete periodicamente nello spazio, è quindi facilmente immaginabile il motivo del nome “cristallo temporale”.
Un cristallo temporale è quindi una struttura che si ripete periodicamente nel tempo, così come un normale cristallo tridimensionale che si ripete periodicamente nello spazio. Si tratta quindi di un sistema che si modifica costantemente nel tempo ma torna sempre nella configurazione iniziale alla fine di un periodo. L’idea trova origine nella sua proposta per la prima volta nel 2012 dal fisico Frank Wilczek, mentre le prime osservazioni di cristalli temporali sono state pubblicate nel 2017.
Si tratta quindi di una nuova fase della materia che i fisici hanno cercato di realizzare per molti anni, un cristallo temporale è quindi un oggetto le cui parti si muovono in un ciclo regolare e ripetitivo, sostenendo questo costante cambiamento senza bruciare alcuna energia.
“La conseguenza è sorprendente: si elude la seconda legge della termodinamica, la legge che dice che il disordine aumenta sempre”
Roderich Moessner, direttore dell’Istituto Max Planck per la fisica dei sistemi complessi a Dresda, in Germania
Per la realizzazione del cristallo temporale, si sono seguiti tre step principali. Innanzitutto, viene creata una fila di particelle, ciascuna con il proprio orientamento magnetico e con un mix di bassa e alta energia. Questo è ciò che è noto come “localizzazione a molti corpi”.
Questo crea un sistema stabile. Capovolgendoli tutti ottieniamo un orientamento delle particelle speculare, ma ancora stabile. Questo è noto come “ordine degli autostati”.
Infine, c’è l’applicazione della luce laser. Ciò fa sì che gli stati si spostino continuamente da normale a specchiato, in un moto periodico, ma senza utilizzare effettivamente l’energia del laser stesso. Il risultato è noto come cristallo temporale Floquet, proposto per la prima volta nel 2016.
Per la sua realizzazione è stato utilizzato il computer quantistico di Google, noto come Sycamore, utilizzando 20 dei suoi qubit. Ogni qubit può mantenere due stati contemporaneamente. Regolando la forza di interazione tra i singoli quibit, i ricercatori hanno potuto ottenere l’inversione degli stati. Le microonde hanno quindi capovolto le particelle nel loro orientamento speculare, ma senza che il cambiamento di spin prendesse energia netta da quel laser stesso.
Nel futuro, si possono sfruttare questi cristalli temporali per diverse applicazioni. Una possibile applicazione per i cristalli temporali è quella dei sensori ad alta precisione. Attualmente, per esempio, si utilizzano le impurità nei diamanti per la misura di minuscole variazioni di temperatura e di campo magnetico.
Questo approccio ha però dei limiti fisici, in quanto troppe impurità andrebbero a distruggere il delicato sistema di misura. In un cristallo temporale, invece, le interazioni servono ad aumentare la stabilità del sistema ed è possibile quindi ottenere un segnale abbastanza forte da essere in grado di sondare in modo efficiente cellule viventi e materiali densi di atomi.
