Il lavoro dei cristalli di tempo attorno alle leggi della fisica per offrire una nuova era di calcolo quantistico

Il collegamento di due "cristalli temporali" in un superfluido di elio-3 appena un decimillesimo di grado sopra lo zero assoluto potrebbe essere un enorme passo avanti verso un nuovo tipo di computer quantistico.

I cristalli temporali sono bizzarre strutture di atomi, la cui esistenza è stata prevista solo di recente nel 2012, con prove sperimentali che seguiranno pochi anni dopo. In un cristallo normale, come diamante o sale, gli atomi sono disposti secondo uno schema spaziale che si ripete regolarmente, un reticolo o una struttura simile. E come la maggior parte dei materiali, quando gli atomi sono nel loro stato fondamentale al livello di energia più basso possibile, smettono di oscillare.

I cristalli temporali, d'altra parte, sono costituiti da atomi che si ripetono nel tempo piuttosto che in Questa Rete, oscillando avanti e indietro, o ruotando, anche nel loro stato fondamentale. Possono mantenere questo movimento perennemente, senza richiedere un apporto di energia o perdere energia nel processo.

In tal modo, questi cristalli temporali possono sfidare un concetto noto come entropia . La seconda legge della termodinamica descrive l'entropia come il modo in cui qualsiasi sistema diventa più disordinato nel tempo. Ad esempio, considera le orbite dei pianeti attorno al sole . Per semplicità li immaginiamo che si muovano in ordine di marcia, tornando sempre nello stesso posto alla stessa ora nelle rispettive orbite. In realtà, tuttavia, le cose sono confuse: la gravità degli altri pianeti, o delle stelle di passaggio, può tirare e tirare i pianeti, apportando sottili modifiche alle loro orbite.

Quindi, le orbite dei pianeti sono intrinsecamente caotiche. Un piccolo cambiamento a uno può potenzialmente avere grandi ripercussioni per tutti loro. Il sistema diventa disordinato nel tempo l'entropia del sistema aumenta.

I cristalli di tempo possono negare gli effetti dell'entropia a causa di un principio quantomeccanico noto come "localizzazione di molti oggetti". Se una forza è percepita da un atomo nel cristallo del tempo, colpisce solo quell'atomo. Pertanto, il cambiamento è considerato localizzato piuttosto che globale (in tutto il sistema). Di conseguenza, il sistema non diventa caotico e consente alle oscillazioni ripetute di continuare, teoricamente, in perpetuo.

"Tutti sanno che le macchine a moto perpetuo sono impossibili", ha affermato in una nota Samuli Autti , ricercatore e docente di fisica alla Lancaster University nel Regno Unito. "Tuttavia, nella fisica quantistica, il moto perpetuo va bene finché teniamo gli occhi chiusi".

Autti, che ha guidato la ricerca, si riferisce al principio di indeterminazione di Heisenberg, che allude a come, quando un sistema quantistico viene osservato e misurato, la sua funzione d'onda quantistica collassa. A causa della loro natura quantomeccanica, i cristalli temporali possono funzionare al 100% di efficienza solo quando sono completamente isolati dal loro ambiente. Questo requisito limita la quantità di tempo che possono essere osservati fino a quando non si rompono completamente a causa del collasso della funzione d'onda.

Tuttavia, il team di Autti è riuscito a collegare due cristalli temporali raffreddando una quantità di elio-3 , un isotopo dell'elio. L'elio-3 è speciale perché, quando viene raffreddato a una frazione sopra lo zero assoluto (meno 459,67 gradi Fahrenheit, o meno 273 gradi Celsius), l'isotopo diventa un superfluido, cosa che non molti materiali possono fare. In un superfluido, non c'è viscosità zero, quindi nessuna energia cinetica viene persa per attrito, consentendo così a movimenti come quelli degli atomi in un cristallo temporale di continuare indefinitamente.

Il team di Autti, che lavora presso l'Università di Aalto in Finlandia, ha quindi manipolato gli atomi di elio-3 per creare due cristalli temporali che hanno interagito tra loro. Inoltre, hanno osservato questo accoppiamento tempo-cristallo per un periodo di tempo record, circa 1.000 secondi (quasi 17 minuti), equivalenti a miliardi di periodi di movimento oscillante o rotante degli atomi, prima che la funzione d'onda dei cristalli di tempo decadesse.

"Si scopre che mettere insieme due di loro funziona magnificamente", ha detto Autti.

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I risultati creano una promettente linea di ricerca per lo sviluppo di un computer quantistico completamente funzionale. Mentre i bit di un normale computer sono binari 1 o 0, l'attivazione o disattivazione della velocità di elaborazione dei computer quantistici è molto più veloce perché utilizzano i "qubit", che possono essere 1 e 0, attivati ​​e disattivati ​​allo stesso tempo. Un modo per costruire un computer quantistico sarebbe collegare una miriade di cristalli temporali, ognuno progettato per agire come un qubit. Pertanto, questo primo esperimento per collegare due cristalli temporali ha creato l'elemento costitutivo di base di un computer quantistico.

Precedenti esperimenti hanno già dimostrato che per un po' di tempo i cristalli possono funzionare a temperatura ambiente, invece di dover essere raffreddati quasi fino allo zero assoluto, rendendo la loro costruzione ancora più semplice. Il prossimo compito, ha detto il team di Autti, è dimostrare che le operazioni della porta logica, che sono funzioni che consentono a un computer di elaborare informazioni, possono operare tra due o più cristalli temporali.

La ricerca è stata pubblicata il 2 giugno sulla rivista Nature Communications (si apre in una nuova scheda).

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