I “cristalli temporali” possono cambiare la fisica per sempre
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.
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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.
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“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.
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I ricercatori hanno ripetuto questo processo migliaia di volte e hanno messo in pausa il test in momenti diversi per registrare la posizione del cupido in quel momento. Nel complesso tutte le trapunte sono state trasferite tra le due strutture e non hanno assorbito alcun calore dal raggio di microonde: era ora che nascesse il cristallo.
Hanno anche notato l’importante indicazione che i cristalli temporali sono lo stato di un oggetto. Quando l’ambiente circostante cambia, la posizione dell’oggetto è solitamente molto stabile. Ad esempio, se la temperatura ambiente cambia leggermente, il solido non si scioglierà e il liquido non evaporerà o congelerà improvvisamente. Allo stesso modo, se il raggio di microonde utilizzato per cambiare la posizione del qubit cambia leggermente, il quid cambierà in un’altra posizione se cambia leggermente dal “capovolgimento perfetto” di 180 gradi.
“Se non raggiungi esattamente i 180 gradi, tutto sarà distrutto.” Lazarites ha sottolineato: “Anche se commetti un piccolo errore, Time Crystal si trasformerà in magia”.
Rompere la simmetria della fisica è un altro segno di un cambiamento nella posizione della materia. Simmetria fisica significa che le leggi della fisica sono le stesse per lo stesso oggetto in qualsiasi momento o luogo. Ad esempio, quando l’acqua è liquida, il flusso delle molecole d’acqua in ogni posizione spaziale e in ogni direzione segue le stesse leggi della fisica. Ma se l’acqua viene raffreddata e trasformata in ghiaccio, le molecole formeranno una struttura cristallina e ogni molecola avrà la sua posizione specifica nella struttura. In questo caso, tutti i possibili stati vengono svuotati, tranne il luogo in cui ogni molecola d’acqua si seleziona, e la simmetria spaziale dell’acqua viene rotta.
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Proprio come le molecole d’acqua diventano cristalli spaziali rompendo l’asimmetria dello spazio, così i cristalli temporali si formano rompendo l’asimmetria del tempo. Prima che passino alla posizione Time Crystal, ogni riga di qubit è sempre simmetrica. Ma la rotazione del raggio a microonde divide la posizione statica di queste uscite in sezioni separate (la simmetria utilizzata dal laser diventa simmetrica con l’unica traslazione temporale). Successivamente, il quid si è girato avanti e indietro per un periodo doppio del raggio del microonde. Di conseguenza, l’unica traslazione temporale imposta dal laser ha rotto con successo la simmetria ed è diventato il primo oggetto che sapevamo potesse farlo.
Con queste peculiarità, si possono fare molte nuove scoperte in fisica intorno ai cristalli temporali e il processore quantistico Google Sycamore diventerà un’eccellente piattaforma per ulteriori studi. Tuttavia, ha ancora margini di miglioramento. Come tutti i sistemi quantistici, il sistema quantistico di accoppiamenti deve essere completamente isolato dall’ambiente per prevenire la “decomposizione” delle interruzioni, che alla fine interromperanno l’effetto di localizzazione quantistica e distruggeranno il cristallo temporale. I ricercatori sono ancora alla ricerca di metodi di isolamento del processore migliori per ridurre al minimo l’impatto del disaccoppiamento quantistico, ma non possono essere eliminati completamente.
Tuttavia, questo test è ancora il modo migliore per studiare i cristalli temporali in un breve periodo di tempo. Sebbene molti progetti abbiano sviluppato con successo materiali come i cristalli temporali (usando diamanti, superfluidi di elio-3, una semiparticella chiamata “magnon” e il condensatore Bose-Einstein), sono molto più veloci nell’elaborare il decadimento del cristallo. Uno studio completo.
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Questi cristalli sono molto innovativi in teoria, buoni e cattivi, perché i fisici non sono ancora chiari sulla loro utilità. Ma von Kessellink propose che potessero essere usati su sensori ad alta precisione. Altri hanno suggerito che questi cristalli potrebbero essere utilizzati per migliorare la memoria o per costruire computer quantistici a velocità di elaborazione più elevate.
Tuttavia, potrebbe essere stato rivelato il più grande uso dei cristalli temporali: consentire agli scienziati di esplorare ulteriormente i confini della meccanica quantistica.
“Non solo ti permette di studiare gli oggetti che esistono in natura, ma ti permette anche di progettarlo da solo, permettendoti di esplorare cosa la meccanica quantistica ti permette di fare e cosa non ti è permesso fare”, ha sottolineato Lazarites. Ciò non significa che non possa essere inferiore a qualsiasi cosa in natura: dobbiamo creare qualcosa da soli.
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