Il cristallo temporale più complesso mai costruito è stato creato all’interno di un computer quantistico.

È stato creato un computer quantistico con un cristallo temporale più complesso di qualsiasi altro mai realizzato prima. La scoperta delle proprietà di questa insolita configurazione quantistica rafforza la tesi a favore dei computer quantistici come macchine adatte alla scoperta scientifica.

Nei cristalli tipici gli atomi sono disposti secondo uno specifico schema ripetuto nello spazio, ma i cristalli temporali sono definiti da uno schema che si ripete nel tempo. Un cristallo temporale attraversa ripetutamente lo stesso insieme di configurazioni e, salvo influenze dannose provenienti dal suo ambiente, dovrebbe continuare a scorrere indefinitamente.

Questo movimento irregolare inizialmente ha reso i cristalli temporali una minaccia per le leggi fondamentali della fisica, ma negli ultimi dieci anni i ricercatori ne hanno creati diversi in laboratorio. Ora, Nicola Lorente Lui e i suoi colleghi del Centro internazionale di fisica di Donostia in Spagna hanno utilizzato un computer quantistico superconduttore IBM per creare un cristallo temporale senza precedenti.

Mentre la maggior parte degli studi precedenti si concentravano su cristalli temporali unidimensionali, che possono essere paragonati a una linea ordinata di atomi, i ricercatori intendono creare una versione bidimensionale. A questo scopo, hanno utilizzato 144 qubit superconduttori disposti in uno schema ad incastro, più o meno come un nido d’ape. Ogni qubit si comporta in modo simile a una rotazione quantistica e il team può controllare il modo in cui i qubit vicini interagiscono tra loro.

I cambiamenti in queste interazioni nel tempo hanno dato origine ai cristalli temporali, ma i ricercatori possono anche programmare le interazioni per avere modelli di forza più complessi rispetto ai precedenti esperimenti di calcolo quantistico con cristalli temporali.

Essere in grado di raggiungere questo nuovo livello di complessità ha permesso al team non solo di creare cristalli temporali più complessi di quelli prodotti finora con i computer quantistici, ma anche di iniziare a mappare le caratteristiche dell’intero sistema di qubit per ricavarne il suo “diagramma di fase”. Completare un diagramma di fase è un passo importante nella comprensione delle proprietà di un materiale: il diagramma di fase dell’acqua, ad esempio, indica se l’acqua è liquida, solida o gassosa a una determinata temperatura e pressione.

Jamie Garcia IBM afferma che questo esperimento potrebbe essere il primo di numerosi passi che potrebbero eventualmente aiutare i computer quantistici a progettare nuovi materiali basati su un quadro completo di tutte le possibili proprietà di un sistema quantistico, comprese proprietà strane come i cristalli temporali.

Il modello che i ricercatori hanno iniziato a simulare, il cui diagramma di fase contiene un cristallo temporale, è già così complesso che i computer convenzionali non possono simularlo senza approssimazioni. Inoltre, tutti i computer quantistici esistenti soffrono di errori, quindi i ricercatori hanno dovuto utilizzare metodi tradizionali per prevedere dove un risultato quantistico potrebbe essere inaffidabile. Garcia afferma che questo andirivieni tra metodi tradizionali approssimativi e approcci quantistici accurati ma soggetti a errori potrebbe accelerare la nostra comprensione di molti modelli quantistici complessi per i materiali.

“I sistemi bidimensionali sono molto impegnativi nella pratica da simulare numericamente, quindi le simulazioni quantistiche su larga scala con più di 100 qubit dovrebbero fornire un punto di ancoraggio per la ricerca futura”, afferma Biao Huang Presso l’Università dell’Accademia Cinese delle Scienze. Secondo lui il nuovo studio rappresenta entusiasmanti progressi sperimentali per molte aree di studio della materia quantistica. In particolare, dice Huang, potrebbe aiutare a connettere i cristalli del tempo, che possono essere simulati in condizioni simili su un computer quantistico, a quelli che potrebbero essere integrati in alcuni tipi di sensori quantistici.