Google ha creato un cristallo temporale in un computer quantistico

Con quella che potrebbe essere la prima applicazione utile dell’informatica quantistica, gli scienziati di Google hanno dimostrato l’esistenza di una nuova fase della materia.

Cos’è il cristallo temporale di Google? In un nuovo documento di ricerca, gli scienziati di Google affermano di aver utilizzato un processore quantistico per un’utile applicazione scientifica: osservare un cristallo in tempo reale.

Se il termine “cristallo temporale” suona come fantascienza, è perché lo è. I cristalli del tempo non sono altro che una nuova “fase della materia”, nelle parole dei ricercatori. Questo è stato teorizzato da alcuni anni come un nuovo stato che potrebbe potenzialmente entrare nelle fila di solidi, liquidi, gas, cristalli, ecc. L’articolo accademico deve ancora essere sottoposto a revisione paritaria.

Anche i Cristalli del Tempo sono difficili da trovare. Ma gli scienziati di Google ora affermano, in modo piuttosto eccitante, che le loro scoperte stabiliscono un “approccio evolutivo” allo studio dei cristalli temporali sugli attuali processori quantistici.

I sistemi tendono naturalmente verso uno stato con la minor energia possibile.

Per capire perché i cristalli temporali sono interessanti, devi avere una conoscenza di base della fisica. E in particolare conoscere la seconda legge della termodinamica. Afferma che i sistemi tendono naturalmente verso uno stato con la più bassa energia possibile, detto anche equilibrio termico. Ecco perché, ad esempio, un cubetto di ghiaccio si scioglie in un bicchiere d’acqua a temperatura ambiente.

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Questa schiacciante tendenza all’equilibrio termico, descritta nella Seconda Legge della Termodinamica, riflette il fatto che tutte le cose tendono ad evolversi in stati meno utili e casuali. Nel tempo, i sistemi degenerano inevitabilmente nel caos e nel disordine, una nozione nota come entropia.

I cristalli temporali, d’altra parte, non riescono a stabilirsi in equilibrio termico. Invece di degenerare lentamente in casualità, rimangono bloccati in due configurazioni ad alta energia che passano tra loro – e questo processo avanti e indietro può andare avanti all’infinito, in quello che gli scienziati chiamano “moto perpetuo”.

“Gli unici cristalli stabili nel tempo che abbiamo considerato nei sistemi chiusi riguardano la meccanica quantistica.”

Per spiegare meglio questo fenomeno, Curt von Keyserlingk, docente presso la School of Physics and Astronomy dell’Università di Birmingham, che non è stato coinvolto nell’ultimo esperimento di Google, tira fuori alcune diapositive da un discorso introduttivo ai potenziali studenti universitari. “Di solito fingono di capire, quindi potrebbe essere d’aiuto”, avverte von Keyserlingk a ZDNet.

Tutto inizia con un esperimento mentale. Prendi una scatola in un sistema chiuso isolato dal resto dell’universo. Mettici dentro qualche decina di monete e scuotilo un milione di volte. Rimbalzando uno sopra l’altro, i pezzi cambiano posizione a caso. Uno stato sempre più caotico. Quando apri la scatola, ti aspetti che metà delle monete sia sul lato croce e l’altra metà sul lato anteriore.

Non importa se l’esperimento è iniziato con più monete dal lato croce o più monete dal lato croce: il sistema dimentica la configurazione iniziale e diventa sempre più casuale e caotico man mano che viene scosso.

Questo sistema chiuso, se tradotto nel dominio quantistico, è la struttura perfetta per cercare di trovare i cristalli del tempo. “Gli unici cristalli stabili nel tempo che abbiamo considerato nei sistemi chiusi sono la meccanica quantistica”, afferma von Keyserlingk.

I cristalli del tempo sfidano ogni previsione

È qui che entra in gioco il processore quantistico di Google, Sycamore. È noto che ha raggiunto la supremazia quantistica e gli utenti attuali sono ora alla ricerca di un qualche tipo di applicazione utile per l’informatica quantistica.

Un processore quantistico, per definizione, è uno strumento perfetto per riprodurre un sistema meccanico quantistico. In questo scenario, il team di Google ha rappresentato le monete nella scatola come qubit che ruotano su e giù 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. Quello che hanno ripetuto più volte.

È qui che i Cristalli del Tempo sfidano tutte le aspettative. Osservando il sistema dopo un certo numero di operazioni, o jerk, vediamo che la configurazione dei qubit non è casuale, ma somiglia piuttosto alla configurazione iniziale.

Il cristallo del tempo non dimentica

“Il primo ingrediente di un cristallo temporale è che ricorda ciò che stava facendo inizialmente. Non dimentica”, afferma von Keyserlingk. “Il sistema coin-in-a-box dimentica, ma non un sistema a cristallo temporale.”

E non si ferma qui. Se scuoti il ​​sistema un numero pari di volte, otterrai una configurazione simile a quella originale. Ma se lo scuoti un numero dispari di volte, otterrai un’altra configurazione, in cui le teste hanno girato le teste e viceversa.

E non importa quante operazioni vengono eseguite sul sistema, cambierà sempre, andando regolarmente avanti e indietro tra questi due stati.

Rompere la simmetria del tempo

Gli scienziati chiamano questo una rottura nella simmetria del tempo. Ecco perché i cristalli del tempo sono così chiamati. Infatti, l’operazione eseguita per stimolare il sistema è sempre la stessa, eppure la risposta si verifica solo una volta su due.

“Nell’esperimento di Google, eseguono una serie di operazioni su questa catena di giri, e poi ripetono la stessa identica cosa più e più volte. Fanno la stessa cosa al centesimo passo come fanno al milionesimo, se anche andare lontano”, afferma von Keyserlingk. “Quindi stanno sottoponendo il sistema a una serie di condizioni simmetriche, eppure il sistema reagisce in un modo che rompe quella simmetria. È lo stesso ogni due periodi invece di tutti i periodi. Questo è ciò che lo fa accadere. fa letteralmente un cristallo temporale.”

Il comportamento dei cristalli temporali, da un punto di vista scientifico, è affascinante. A differenza di tutti gli altri sistemi conosciuti, non tendono al disordine e al caos. A differenza delle monete nella scatola, si oppongono alla legge dell’entropia rimanendo bloccati in uno stato speciale, quello del cristallo del tempo.

Un precedente nei Paesi Bassi

In altre parole, sfidano la seconda legge della termodinamica, che definisce la direzione che prendono tutti gli eventi naturali. Pensaci un attimo.

Questi 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 numerose volte da allora.

Di tanto in tanto sono stati fatti diversi tentativi per creare e osservare i cristalli, con vari gradi di successo. Solo il mese scorso un team della Delft University of Technology nei Paesi Bassi ha pubblicato uno studio che mostrava di aver costruito un cristallo temporale in un processore a diamante, sebbene si tratti di un sistema più piccolo di quello affermato da Google.

Questo esperimento non prova la questione della supremazia quantistica.

I ricercatori del gigante della ricerca hanno utilizzato un chip contenente 20 qubit per fungere da cristallo temporale, molto di più, secondo von Keyserlingk, di quanto è stato ottenuto finora e di quanto si potrebbe ottenere con un computer convenzionale.

Con un laptop, è abbastanza facile simulare circa 10 qubit, afferma von Keyserlingk. Oltre a ciò, i limiti dell’hardware attuale vengono rapidamente raggiunti: ogni qubit aggiuntivo richiede una quantità esponenziale di memoria.

Lo scienziato sta attento a non affermare che questo nuovo esperimento sia una dimostrazione di supremazia quantistica. “Non sono ancora abbastanza lontani da poter dire che è impossibile farlo con un computer classico, perché potrebbe esserci un modo intelligente per farlo su un computer classico a cui non ho pensato”, afferma von Keyserlingk. “Ma penso che questa sia di gran lunga la dimostrazione sperimentale più convincente di un cristallo temporale fino ad oggi”.

I cristalli temporali non stanno per essere al centro della scena nei nostri salotti

La portata e il controllo dell’esperimento di Google significano che è possibile esaminare i cristalli temporali per un periodo di tempo più lungo, eseguire serie di misurazioni dettagliate, variare le dimensioni del sistema e altro ancora. In altre parole, è una dimostrazione utile che potrebbe davvero far progredire la scienza e, in quanto tale, potrebbe essere essenziale 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 il degrado degli stati quantistici dei qubit e significare che le oscillazioni dei cristalli temporali si spengono inevitabilmente quando l’ambiente interferisce con il sistema.

L’autore dello studio afferma, tuttavia, che questo problema potrebbe essere alleviato poiché il processore è meglio isolato.

Una cosa è certa: i cristalli temporali non stanno per essere al centro della scena nei nostri salotti, perché gli scienziati non hanno ancora trovato un’applicazione utile definitiva per loro. È quindi improbabile che lo scopo dell’esperimento di Google fosse quello di esplorare il valore commerciale dei cristalli temporali. Piuttosto, mostra quella che potrebbe essere un’altra prima applicazione del calcolo quantistico e un’altra dimostrazione dell’abilità tecnologica dell’azienda in una nuova area di sviluppo altamente competitiva.

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