È stabilito che la materia può transitare tra fasi diverse quando determinati parametri, come la temperatura, sono cambiati. Sebbene le transizioni di fase siano comuni (come l'acqua che si trasforma in ghiaccio in un congelatore), le dinamiche che governano questi processi sono molto complesse e costituiscono un problema di primo piano nel campo della fisica del non equilibrio.

Quando un sistema subisce una transizione di fase, la materia nella nuova fase ha molte possibili "configurazioni" energeticamente uguali da adottare. In questi casi, diverse parti del sistema adottano configurazioni diverse su regioni chiamate "domini". Le interfacce tra questi domini sono note come difetti topologici e ridurre il numero di questi difetti formati può essere immensamente prezioso in molte applicazioni.

Una strategia comune per ridurre i difetti è facilitare il sistema attraverso la transizione di fase lentamente. Infatti, secondo il meccanismo "Kibble-Zurek" (KZM), si prevede che il numero medio di difetti e il tempo di pilotaggio della transizione di fase seguano una legge di potenza universale. Però, testare sperimentalmente il KZM in un sistema quantistico è rimasto un obiettivo ambito.

In un recente studio pubblicato su Ricerca sulla revisione fisica , un team di scienziati guidati dal professor emerito Hidetoshi Nishimori del Tokyo Institute of Technology, Giappone, ha sondato la validità del KZM in due ricottori quantistici disponibili in commercio, un tipo di computer quantistico progettato per risolvere problemi di ottimizzazione complessi. Questi dispositivi, noti come ricottori D-Wave, può ricreare sistemi quantistici controllabili e controllarne l'evoluzione nel tempo, fornendo un banco di prova sperimentale adatto per il KZM.

Primo, gli scienziati hanno verificato se la "legge di potenza" tra il numero medio di difetti e il tempo di ricottura (tempo di guida della transizione di fase) previsto dal KZM per un sistema magnetico quantistico chiamato "modello di Ising a campo trasversale unidimensionale". Questo modello rappresenta gli orientamenti (spin) di una lunga catena di "dipoli magnetici, " dove le regioni omogenee sono separate da difetti visti come spin vicini che puntano in direzioni errate.

Mentre la previsione originale del KZM per quanto riguarda il numero medio di difetti era valida in questo sistema, gli scienziati hanno fatto un ulteriore passo avanti:sebbene questa estensione del KZM fosse originariamente intesa per un sistema quantistico completamente "isolato" non influenzato da parametri esterni, hanno trovato un buon accordo tra le sue previsioni e i loro risultati sperimentali anche nei ricotti D-Wave, che sono sistemi quantistici "aperti".

Eccitato da questi risultati, Il professor Nishimori osserva:"Il nostro lavoro fornisce il primo test sperimentale della dinamica critica universale in un sistema quantistico aperto a molti corpi. Costituisce anche il primo test di certa fisica oltre il KZM originale, fornendo una forte evidenza sperimentale che la teoria generalizzata tiene al di là del regime di validità teoricamente stabilito."

Questo studio mette in mostra il potenziale dei ricottori quantistici per eseguire simulazioni di sistemi quantistici e aiuta anche a ottenere informazioni su altre aree della fisica. A questo proposito, Il professor Nishimori afferma:"I nostri risultati sfruttano i dispositivi di ricottura quantistica come piattaforme per testare ed esplorare le frontiere della fisica del non equilibrio. Speriamo che il nostro lavoro possa motivare ulteriori ricerche che combinino la ricottura quantistica e altri principi universali nella fisica del non equilibrio". Auspicabilmente, questo studio promuoverà anche l'uso dei ricottori quantistici nella fisica sperimentale. Dopotutto, chi non ama trovare un nuovo utilizzo per uno strumento?