Una svolta nella fisica teorica è un passo importante verso la previsione del comportamento della materia fondamentale di cui è costruito il nostro mondo. Può essere utilizzato per calcolare sistemi di enormi quantità di particelle quantistiche, un'impresa ritenuta impossibile prima.
La nuova ricerca dell’Università di Copenaghen potrebbe rivelarsi di grande importanza per la progettazione di computer quantistici e potrebbe persino rappresentare una mappa per i superconduttori che funzionano a temperatura ambiente. L'articolo è pubblicato sulla rivista Physical Review X .
Ai margini della fisica teorica, Berislav Buca indaga il quasi impossibile attraverso la matematica "esotica". La sua ultima teoria non fa eccezione. Rendendo possibile calcolare la dinamica, cioè i movimenti e le interazioni, di sistemi con enormi quantità di particelle quantistiche, ha prodotto qualcosa che era stato cancellato dalla fisica. Un'impossibilità resa possibile.
La presenza inaspettata di un gatto bianco adorna le illustrazioni della ricerca di Buca. Pulci il gatto è la sua musa accattivante. Le frecce che attraversano il corpo del gatto illustrano l'origine quantomeccanica dei movimenti del gatto giocoso, ed è proprio questa la relazione che Buca sta cercando di comprendere rendendo possibile calcolare la dinamica delle particelle più piccole.
Questa svolta ha rinvigorito una vecchia e fondamentale questione scientifica:teoricamente, se tutto il comportamento nell'universo può essere calcolato mediante le leggi della fisica, possiamo quindi prevedere tutto calcolando le sue particelle più piccole?
"Molte discipline fisiche si occupano in definitiva di spiegare e predire il mondo comprendendo le leggi della fisica e calcolando il comportamento delle particelle più piccole. In linea di principio, saremmo in grado di rispondere a qualsiasi domanda possibile su come si comportano tutti i tipi di cose se fossimo in grado di a", afferma Buca dell'Istituto Niels Bohr dell'Università di Copenaghen.
"In linea di principio, il comportamento di ogni cosa nell'universo può essere compreso dalle leggi microscopiche che governano la dinamica delle particelle", afferma, invitando subito alla cautela.
"Naturalmente non posso farlo", dice il teorico.
Le interazioni e i movimenti delle particelle quantistiche nei loro sistemi sono così complessi, spiega il ricercatore, che persino il supercomputer più potente del mondo oggi è in grado di eseguire calcoli solo su una dozzina di queste particelle alla volta.
Allo stesso tempo, un singolo atomo è costituito da almeno due particelle quantistiche e un singolo granello di sabbia di circa 50 miliardi di volte un miliardo di atomi, per non parlare di un gatto o di qualsiasi altra cosa si vorrebbe capire nel nostro universo.
"Quindi in pratica non è possibile. Non al momento. Tuttavia, la mia teoria è un passo significativo nella giusta direzione. Questo perché ci vuole una sorta di scorciatoia matematica per comprendere le dinamiche dell'insieme, senza perdere potenza di calcolo nei dettagli per un'ampia classe di sistemi con molte particelle quantistiche, cioè senza la necessità di calcolare tutte le singole particelle in un sistema," spiega Buca.
La teoria si è già fatta un nome fornendo la prima prova matematica di un'ipotesi di lunga data nella fisica teorica.
Fino ad ora, la cosiddetta ipotesi della termalizzazione degli autostati è stata un presupposto – un’ipotesi plausibile – in fisica che doveva ancora essere spiegata matematicamente. Riguarda la capacità della matematica di descrivere i movimenti dei sistemi quantistici nel loro insieme.
Pertanto, la teoria di Buca ha già dimostrato il suo valore come ricerca teorica di base e ha realizzato ciò che i teorici avevano a lungo considerato impossibile. Anche se per ora i risultati interessano soprattutto le menti brillanti della fisica, le conseguenze alla fine potrebbero essere grandiose per tutti noi.
Questa conoscenza potrebbe finire per mostrare la strada da percorrere per ricercare materiali quantistici con proprietà così uniche da poter trasformare il nostro mondo.
Questi materiali quantistici sono un prerequisito per affondare i nostri artigli in alcuni dei più grandi "uccelli della foresta" scientifici, come i computer quantistici stabili o persino i superconduttori che funzionano a temperatura ambiente.
"Stiamo cercando un materiale per i computer quantistici in grado di resistere all'entropia, una legge della natura che fa sì che i sistemi complessi, ad esempio i materiali, decadano in forme meno complesse. L'entropia distrugge la coerenza necessaria affinché i computer quantistici siano stabili e continuino a funzionare, " spiega Buca.
Gli esotici sistemi matematici che inizialmente lo hanno ispirato e hanno reso possibile la sua svolta nella ricerca potrebbero essere proprio ciò di cui un computer quantistico ha bisogno per essere veramente utile.
"I cosiddetti qubit con cui teoricamente funziona un computer quantistico devono essere in uno stato di sovrapposizione per funzionare, il che significa che sono simultaneamente accesi e spenti, in termini comuni. Ciò richiede che siano in uno stato quantistico stabile. Tuttavia, alla termodinamica non piacciono le strutture richieste dai materiali attuali. La mia teoria potrebbe essere in grado di informarci se questi sistemi esotici possono essere un modo di strutturare le cose in modo che questo stato quantistico possa essere più permanente," dice Buca.
Il metodo è un po’ come una mappa stradale che può guidare i ricercatori attraverso un vasto panorama di possibili materiali consentendo previsioni su come questi materiali si comporterebbero in condizioni sperimentali. Per la prima volta, questo offre ai ricercatori un modo per indirizzare la loro ricerca di materiali quantistici dotati di proprietà speciali.
"Fino ad ora, la ricerca di questi materiali è stata governata dal caso. Ma i miei risultati possono, per la prima volta, fornire un principio guida da seguire durante la ricerca di proprietà uniche nei materiali", afferma Buca.
Ulteriori informazioni: Berislav Buča, Teoria unificata della dinamica quantistica locale a molti corpi:teoremi di termalizzazione degli autooperatori, Revisione fisica X (2023). DOI:10.1103/PhysRevX.13.031013
Informazioni sul giornale: Revisione fisica X
Fornito dall'Università di Copenaghen
