Probabilmente sai cos’è un cristallo. Tutti ne abbiamo visto uno, ne abbiamo tenuto uno tra le mani e ne abbiamo persino assaggiato uno (ad esempio i cristalli di cloruro di sodio, noti anche come “sale“).
Ma cos’è un “cristallo del tempo“, se non un gadget di fantascienza nell’ultimo film Marvel? Perché abbiamo bisogno di un computer quantistico per realizzarne uno? E comunque cos’è un computer quantistico?
Bit e qubit
I computer sono tutti intorno a noi. Alcuni sono compatti, portatili e utilizzati principalmente per lo streaming di Netflix, mentre altri riempiono intere stanze e simulano fenomeni complessi come il tempo o l’evoluzione del nostro Universo.
Indipendentemente dai dettagli, a livello fondamentale i computer hanno tutti lo stesso scopo: elaborare le informazioni. Le informazioni vengono memorizzate ed elaborate in “bit“.
Qualsiasi sistema fisico con due stati identificabili distinti (chiamati “0” e “1”) può fungere da bit. Collega molti bit insieme nel modo giusto e puoi fare aritmetica, logica o ciò che generalmente chiamiamo “calcolo“.
Ora, si scopre che il mondo fisico a un livello molto fondamentale è governato dalle strane regole della fisica quantistica. Puoi anche creare una versione quantistica di un bit, chiamata bit quantistico o “qubit“.
I qubit possono anche essere descritti in termini di due stati, “0” e “1”, tranne per il fatto che possono essere sia “0” che “1” contemporaneamente. Ciò consente una forma molto più ricca di elaborazione delle informazioni e quindi computer più potenti.
Cosa possiamo fare con i computer quantistici?
Gran parte della ricerca attuale in quest’area si concentra sulla costruzione di un computer quantistico funzionante – un compito ingegneristico davvero impegnativo – o sulla progettazione di algoritmi quantistici per fare cose che non possiamo gestire con i nostri computer classici attuali.
Una ricerca, tuttavia, si concentra su un’applicazione concepita per la prima volta dal famoso fisico statunitense Richard Feynman più di 30 anni fa: utilizzare i computer quantistici per condurre ricerche sulla fisica fondamentale.
I teorici, usano tipicamente una combinazione di matematica con carta e penna e simulazioni al computer per studiare i sistemi fisici. Sfortunatamente, i computer convenzionali sono molto mal equipaggiati per simulare la fisica quantistica.
È qui che entrano in gioco i computer quantistici. Sono già di natura quantistica e possono, in linea di principio, comportarsi come qualsiasi sistema quantistico che desideriamo studiare.
Usando il computer quantistico di IBM i fisici sono stati in grado di ottenere esattamente questo, trasformandolo in un simulatore sperimentale per creare un nuovo stato della materia, proprio come immaginato da Feynman. Questa macchina si trova in America ma è accessibile da remoto dai ricercatori di tutto il mondo.
Essere in grado di accedere ai computer quantistici da qualsiasi parte del mondo rappresenta un importante cambiamento in questo tipo di ricerca quantistica.
Cristalli del tempo
Il tipo speciale di sistema quantistico che è stato creato è chiamato “cristallo del tempo“.
Cerchiamo di capire cos’è un cristallo del tempo!
L’idea cruciale qui è che la materia esiste in diverse “fasi”, come le tre fasi familiari dell’acqua: ghiaccio, acqua e vapore. Un materiale può avere proprietà molto diverse a seconda della fase in cui lo troviamo.
Ora un cristallo convenzionale – potremmo chiamarlo in realtà un “cristallo spaziale” – è una di queste fasi della materia. I cristalli sono caratterizzati da una disposizione molto regolare delle particelle nello spazio.
In un cristallo temporale, le particelle non sono solo disposte regolarmente nello spazio, ma anche nel tempo. Le particelle si spostano da una posizione all’altra e viceversa, senza rallentare o perdere energia.
Oltre l’equilibrio
I tipi di fasi che normalmente incontriamo hanno tutti una cosa in comune: sono in “equilibrio termico”. Se lasci una tazza di caffè calda sulla scrivania, trasferirà il calore all’ambiente circostante fino a raggiungere la stessa temperatura della tua stanza, quindi si fermerà e da quel momento in poi non si verificheranno cambiamenti.
Se aggiungi con cura uno strato di crema al tuo caffè, ora purtroppo freddo, e inizi a mescolare, vedrai che nel tempo si verificano dei cambiamenti. Il caffè e la panna si mescoleranno in splendidi vortici fino a quando il tutto non si trasformerà in un liquido marrone chiaro uniforme, e dopo non cambierà nulla.
Questi sono esempi di “equilibrio”. Il tema comune è che le cose in equilibrio non cambiano nel tempo.
Il nostro cristallo del tempo viola questa condizione. In realtà continua a cambiare indefinitamente, per tutta l’eternità, senza mai raggiungere l’equilibrio.
Una scappatoia nelle leggi della termodinamica?
Un cristallo temporale costituisce quindi una fase fuori equilibrio – infatti, è uno dei primi esempi di uno stato così strano della materia. È essenzialmente come un orologio che ticchetta continuamente che non perde energia, né richiede una scorta di energia per andare avanti.
Questo sembra pericolosamente vicino a una macchina a moto perpetuo, che violerebbe le leggi della termodinamica.
Ma la prima legge della termodinamica – che dice che l’energia non viene creata o distrutta – non è in pericolo qui, poiché non possiamo estrarre energia da un cristallo temporale mantenendolo allo stesso tempo in funzione.
La seconda legge afferma che le cose lasciate a se stesse possono solo diventare più disordinate nel tempo. Questo concetto è probabilmente fin troppo familiare a chiunque abbia figli o coinquilini.
Ma c’è una scappatoia. La seconda legge vieta che le cose diventino più ordinate con il tempo, ma non dice che non possano mantenere per sempre il loro attuale livello di disordine.
Nella vita di tutti i giorni, non vediamo questa scappatoia in azione. È l’equivalente di rimescolare il caffè e la panna e scoprire che i vorticosi di panna non si mescolano mai completamente con il caffè.
Questo è ciò che fanno i cristalli del tempo. Non ci capiterà di vederlo nella vita di tutti i giorni perché è davvero un fenomeno quantistico.
Oltre i cristalli del tempo
I computer quantistici sono ancora nella loro infanzia. Ma man mano che migliorano, consentiranno ai fisici di migliorare la nostra comprensione fondamentale della natura.
Questo a sua volta può tradursi in innovazione tecnologica, proprio come la fisica del secolo scorso ha consentito la rivoluzione digitale che plasma le nostre vite oggi.
I computer quantistici forniscono ai fisici una piattaforma per progettare e studiare nuovi stati della materia che non possono essere trovati in natura. I cristalli del tempo segnano solo l’inizio di questa eccitante impresa.
Autore
Stephan Rachel, Philipp Frey, Università di Melbourne
