Aggiungi un pizzico di panna al tuo caffè mattutino e nuvole di liquido bianco vorticheranno intorno alla tua tazza. Ma aspetta qualche secondo e quei vortici scompariranno, lasciandoti con una normale tazza di liquido marrone.
Qualcosa di simile accade nei chip dei computer quantistici, dispositivi che sfruttano le strane proprietà dell'universo su scala più piccola, dove le informazioni possono confondersi rapidamente, limitando le capacità di memoria di questi strumenti.
Non deve essere necessariamente così, ha affermato Rahul Nandkishore, professore associato di fisica presso l'Università del Colorado Boulder.
Con un nuovo colpo di stato per la fisica teorica, lui e i suoi colleghi hanno usato la matematica per dimostrare che gli scienziati potrebbero creare, in sostanza, uno scenario in cui il latte e il caffè non si mescolano mai, non importa quanto duramente li mescoli.
Le scoperte del gruppo potrebbero portare a nuovi progressi nei chip dei computer quantistici, fornendo potenzialmente agli ingegneri nuovi modi per archiviare informazioni in oggetti incredibilmente piccoli.
"Pensa ai modelli vorticosi iniziali che appaiono quando aggiungi la panna al caffè mattutino", ha detto Nandkishore, autore senior del nuovo studio. "Immagina se questi schemi continuassero a girare e a danzare, indipendentemente da quanto tempo li guardi."
I ricercatori devono ancora condurre esperimenti in laboratorio per assicurarsi che questi vortici senza fine siano davvero possibili. Ma i risultati del gruppo rappresentano un importante passo avanti per i fisici che cercano di creare materiali che rimangano fuori equilibrio, o equilibrio, per lunghi periodi di tempo, un obiettivo noto come "rottura dell'ergodicità".
I risultati del team sono stati pubblicati questa settimana nell'ultimo numero di Physical Review Letters .
Lo studio, che comprende i coautori David Stephen e Oliver Hart, ricercatori post-dottorato in fisica presso la CU Boulder, si basa su un problema comune nell'informatica quantistica.
I normali computer funzionano su "bit", che assumono la forma di zero o uno. Nandkishore ha spiegato che i computer quantistici, al contrario, impiegano “qubit”, che possono esistere come zero, uno o, per la stranezza della fisica quantistica, zero e uno allo stesso tempo. Gli ingegneri hanno creato qubit utilizzando una vasta gamma di elementi, inclusi singoli atomi intrappolati da laser o minuscoli dispositivi chiamati superconduttori.
Ma proprio come quella tazza di caffè, i qubit possono essere facilmente confusi. Se capovolgi, ad esempio, tutti i tuoi qubit in uno, alla fine si gireranno avanti e indietro finché l'intero chip non diventerà un pasticcio disorganizzato.
Nella nuova ricerca, Nandkishore e i suoi colleghi potrebbero aver trovato un modo per aggirare questa tendenza alla mescolanza. Il gruppo ha calcolato che se gli scienziati organizzano i qubit secondo schemi particolari, questi assemblaggi manterranno le loro informazioni, anche se vengono disturbati utilizzando un campo magnetico o un'interruzione simile. Ciò potrebbe, secondo il fisico, consentire agli ingegneri di costruire dispositivi con una sorta di memoria quantistica.
"Questo potrebbe essere un modo per archiviare informazioni", ha detto. "Scriveresti informazioni in questi schemi e le informazioni non potrebbero essere degradate."
Nello studio, i ricercatori hanno utilizzato strumenti di modellazione matematica per immaginare una serie di centinaia o migliaia di qubit disposti secondo uno schema a scacchiera.
Il trucco, hanno scoperto, consisteva nel mettere i qubit in uno spazio ristretto. Se i qubit si avvicinano abbastanza, ha spiegato Nadkishore, possono influenzare il comportamento dei loro vicini, quasi come una folla di persone che cercano di infilarsi in una cabina telefonica. Alcune di queste persone potrebbero stare in piedi o a testa in giù, ma non possono girarsi dall'altra parte senza spingere tutti gli altri.
I ricercatori hanno calcolato che se organizzassero questi schemi nel modo giusto, potrebbero fluire attorno al chip di un computer quantistico e non degradarsi mai, proprio come quelle nuvole di crema che vorticano per sempre nel tuo caffè.
"La cosa meravigliosa di questo studio è che abbiamo scoperto che potevamo comprendere questo fenomeno fondamentale attraverso quella che è una geometria quasi semplice", ha affermato Nandkishore.
Le scoperte del team potrebbero influenzare molto di più dei semplici computer quantistici.
Nandkishore ha spiegato che quasi tutto nell’universo, dalle tazze di caffè ai vasti oceani, tende a muoversi verso quello che gli scienziati chiamano “equilibrio termico”. Se metti un cubetto di ghiaccio nella tazza, ad esempio, il calore del caffè scioglierà il ghiaccio, formando infine un liquido con una temperatura uniforme.
Le sue nuove scoperte, tuttavia, si uniscono a un crescente corpus di ricerche che suggeriscono che alcune piccole organizzazioni della materia possono resistere a tale equilibrio, apparentemente infrangendo alcune delle leggi più immutabili dell'universo.
"Non dovremo rifare i conti per il ghiaccio e l'acqua", ha detto Nandkishore. "Il campo della matematica che chiamiamo fisica statistica ha un incredibile successo nel descrivere le cose che incontriamo nella vita di tutti i giorni. Ma ci sono contesti in cui forse non si applica."
Ulteriori informazioni: David T. Stephen et al, Ergodity Breaking Provably Robust to Arbitrary Perturbations, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.040401. SuarXiv :DOI:10.48550/arxiv.2209.03966
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica , arXiv
Fornito dall'Università del Colorado a Boulder
