Cristalli temporali creati dall’utilizzo di nuove architetture di calcolo quantistico

Il fisico Norman Yao della UC Berkeley descrisse per la prima volta cinque anni fa come creare un cristallo temporale, una nuova forma di materia i cui schemi si ripetono nel tempo anziché nello spazio. A differenza dei cristalli di smeraldo o rubino, tuttavia, quei cristalli esistevano solo per una frazione di secondo.

Le diverse forme dei cristalli temporali

Dalla proposta originale di Yao, nuove intuizioni hanno portato alla scoperta che i cristalli temporali si presentano in molte forme diverse, ciascuna stabilizzata da un proprio meccanismo distinto.

Utilizzando nuove architetture di calcolo quantistico, diversi laboratori si sono avvicinati alla creazione di una versione localizzata a molti corpi di un cristallo temporale, che utilizza il disordine per mantenere i qubit quantistici periodicamente guidati in uno stato continuo di oscillazione subarmonica: i qubit oscillano, ma solo uno su due periodo di guida.

In un articolo pubblicato sulla rivista Science, Yao e i colleghi di QuTech, una collaborazione tra la Delft University of Technology e TNO, un gruppo di ricerca indipendente nei Paesi Bassi, hanno riportato la creazione di un cristallo temporale discreto localizzato a molti corpi che è durato per circa otto secondi, corrispondenti a 800 periodi di oscillazione. Hanno usato un computer quantistico basato su un diamante, dove i qubit—bit quantici, l’analogo dei bit binari nei computer digitali—sono gli spin nucleari degli atomi di carbonio-13 incorporati all’interno del diamante.

“Mentre un cristallo temporale perfettamente isolato può, in linea di principio, vivere per sempre, qualsiasi implementazione sperimentale reale decadrà a causa delle interazioni con l’ambiente”, ha affermato Joe Randall di QuTech. “Allungare ulteriormente la vita è la prossima frontiera.”

I risultati, pubblicati per la prima volta questa estate su arXiv, sono stati replicati in un esperimento quasi simultaneo da ricercatori di Google, Stanford e Princeton, utilizzando il computer quantistico superconduttore di Google, Sycamore. Quella dimostrazione ha impiegato 20 qubit fatti di strisce di alluminio superconduttore ed è durata circa otto decimi di secondo. Sia i cristalli temporali di Google che QuTech sono indicati come fasi della materia Floquet, che sono un tipo di materiale non in equilibrio.

“È estremamente eccitante che si verifichino simultaneamente più scoperte sperimentali”, ha affermato Tim Taminiau, investigatore capo presso QuTech. “Tutte queste diverse piattaforme si completano a vicenda. L’esperimento di Google utilizza due volte più qubit; il nostro cristallo temporale vive circa 10 volte più a lungo”.

Il team di Qutech ha manipolato i nove qubit di carbonio-13 nel modo giusto per soddisfare i criteri per formare un cristallo temporale localizzato a molti corpi.

“Un cristallo temporale è forse l’esempio più semplice di una fase di non equilibrio della materia”, ha affermato Yao, professore associato di fisica alla UC Berkeley. “Il sistema QuTech è perfettamente pronto per esplorare altri fenomeni fuori equilibrio, tra cui, ad esempio, le fasi topologiche di Floquet”.

Questi risultati seguono sulla scia di un altro avvistamento di cristalli temporali, che coinvolge anche il gruppo di Yao, pubblicato su Science diversi mesi fa. Lì, i ricercatori hanno osservato un cosiddetto cristallo temporale pretermico, in cui le oscillazioni subarmoniche sono stabilizzate tramite la guida ad alta frequenza. 

Gli esperimenti sono stati eseguiti nel laboratorio di Monroe presso l’Università del Maryland utilizzando una catena unidimensionale di ioni atomici intrappolati, lo stesso sistema che ha osservato le prime firme della dinamica cristallina del tempo più di cinque anni fa. È interessante notare che, a differenza del cristallo temporale localizzato a molti corpi, che rappresenta una fase di Floquet innatamente quantistica, i cristalli temporali pretermici possono esistere come fasi della materia sia quantistiche che classiche.

Rimangono molte domande aperte. Esistono applicazioni pratiche per i cristalli temporali? La dissipazione può aiutare a prolungare la vita di un cristallo temporale? E, più in generale, come e quando si equilibrano i sistemi quantistici guidati? I risultati riportati dimostrano che i difetti di spin nei solidi sono una piattaforma flessibile per lo studio sperimentale di queste importanti questioni aperte nella fisica statistica.

“La capacità di isolare gli spin dal loro ambiente pur essendo ancora in grado di controllare le loro interazioni offre una straordinaria opportunità per studiare come le informazioni vengono conservate o perse”, ha affermato Francisco Machado, studente laureato alla UC Berkeley. “Sarà affascinante vedere cosa verrà dopo”.