La fisica teorica ha compiuto un balzo significativo verso la comprensione dei fenomeni quantistici più complessi grazie a una simulazione sperimentale che ha ricreato artificialmente condizioni impossibili da raggiungere in natura. Un team internazionale di ricercatori è riuscito a simulare digitalmente il comportamento di un sistema quantistico alla temperatura dello zero assoluto, utilizzando un processore quantistico superconduttore per osservare come avviene la rottura spontanea di simmetria in condizioni estreme. L'esperimento, condotto con una fedeltà superiore all'80%, rappresenta una pietra miliare per il calcolo quantistico e la fisica della materia condensata, aprendo nuove prospettive per la comprensione dei meccanismi fondamentali che governano la materia.
Il paradosso dello zero assoluto ricreato in laboratorio
Lo zero assoluto, corrispondente a -273,15 gradi Celsius, rappresenta una condizione teorica in cui ogni movimento molecolare si arresta completamente. Raggiungere fisicamente questa temperatura è impossibile secondo le leggi della termodinamica, ma i ricercatori della Southern University of Science and Technology di Shenzhen, in collaborazione con l'Università di Aarhus in Danimarca e l'Università Federale di São Carlos in Brasile, sono riusciti a simularne gli effetti attraverso un algoritmo quantistico sofisticato. La simulazione ha utilizzato un circuito quantistico composto da sette qubit superconduttori, disposti in una configurazione che permette interazioni solo tra particelle vicine, ricreando le condizioni ideali per osservare fenomeni altrimenti inaccessibili.
Il sistema è partito da uno stato antiferromagnetico classico, caratterizzato da spin alternati in direzioni opposte, per evolversi spontaneamente verso uno stato ferromagnetico quantistico dove tutti gli spin si allineano nella stessa direzione. Come spiega Alan Santos, fisico dell'Istituto di Fisica Fondamentale del Consiglio Nazionale delle Ricerche spagnolo (CSIC) e co-organizzatore del team teorico: "Il sistema ha iniziato con una configurazione alternata di spin e si è evoluto spontaneamente, riconfigurandosi con spin allineati nella stessa direzione. Questa transizione di fase è dovuta alla rottura di simmetria".
Quando la natura riorganizza se stessa
La rottura spontanea di simmetria rappresenta uno dei concetti più affascinanti della fisica moderna, presente in tutti i settori della disciplina. Questo fenomeno descrive il processo attraverso cui un sistema fisico, inizialmente simmetrico, evolve spontaneamente verso uno stato asimmetrico, dando origine a strutture complesse e proprietà emergenti. Santos chiarisce l'importanza di questo principio: "La simmetria ci dà le leggi di conservazione. La rottura di simmetria permette l'emergere di strutture complesse".
L'aspetto rivoluzionario dell'esperimento risiede nella capacità di osservare questo fenomeno alla temperatura zero, condizione che amplifica significativamente gli effetti quantistici. "Il punto cruciale è stato simulare dinamiche alla temperatura zero. C'erano già stati studi precedenti su questo tipo di transizione, ma sempre a temperature diverse da zero. Quello che abbiamo dimostrato è che impostando la temperatura a zero, è possibile osservare la rottura di simmetria anche in interazioni locali tra particelle, tra primi vicini", sottolinea Santos.
La rivoluzione dei qubit superconduttori
L'implementazione pratica dell'esperimento ha richiesto tecnologie all'avanguardia, utilizzando qubit superconduttori basati su leghe di alluminio e niobio che operano a temperature intorno al millikelvin. Questi componenti, raffreddati a temperature centinaia di volte inferiori a quelle dello spazio interstellare, permettono di mantenere gli stati quantistici necessari per la simulazione. "Il vantaggio dei qubit superconduttori è la loro scalabilità. È tecnicamente possibile costruire chip con centinaia di essi", evidenzia Santos.
La transizione di fase è stata identificata utilizzando funzioni di correlazione e l'entropia di Rényi, che hanno rivelato la formazione di pattern ordinati e l'entanglement quantistico. L'entanglement rappresenta una delle proprietà più distintive della meccanica quantistica, creando correlazioni istantanee tra particelle anche quando sono separate da grandi distanze. L'entropia di Rényi, introdotta dal matematico ungherese Alfréd Rényi negli anni '60, quantifica il grado di entanglement e la sua distribuzione tra le parti di un sistema quantistico.
Il futuro del calcolo quantistico
La differenza fondamentale tra computer classici e quantistici risiede nelle prestazioni computazionali. Santos utilizza un'analogia efficace per spiegare questo concetto: "Per darvi un'idea intuitiva, immaginate di avere un mazzo di chiavi e di dover scoprire quale apre la serratura. Un computer classico testa le chiavi una per una. Un computer quantistico, invece, può testarne diverse contemporaneamente, accelerando l'elaborazione".
Questa capacità di parallelismo quantistico, combinata con l'entanglement, permette ai computer quantistici di risolvere alcuni problemi in tempi drasticamente ridotti rispetto ai sistemi classici. Calcoli come la fattorizzazione di numeri enormi in due numeri primi, che richiederebbero milioni di anni ai computer classici, possono essere eseguiti molto più rapidamente dai computer quantistici.
L'esperimento, condotto a Shenzhen - una metropoli che in quarant'anni si è trasformata da villaggio di pescatori di 30.000 abitanti a hub tecnologico da oltre 17 milioni di persone - dimostra che è possibile utilizzare risorse di calcolo quantistico per simulazioni che sarebbero impossibili o controintuitive su sistemi classici. I risultati, pubblicati su Nature Communications, aprono nuove prospettive per la comprensione dei sistemi quantistici complessi e potrebbero accelerare lo sviluppo di applicazioni pratiche del calcolo quantistico in diversi settori scientifici e tecnologici.
