Nel panorama della fisica quantistica moderna, i computer quantistici stanno emergendo come strumenti rivoluzionari non solo per il calcolo, ma anche per esplorare territori inesplorati della materia.
Un team internazionale guidato dall'Università Tecnica di Monaco, in collaborazione con l'Università di Princeton e Google Quantum AI, ha raggiunto un traguardo che sembrava relegato alla teoria: l'osservazione diretta di una fase quantistica che sfida le leggi dell'equilibrio termodinamico tradizionale.
Utilizzando un processore quantistico da 58 qubit superconduttori, i ricercatori sono riusciti a creare e studiare uno stato della materia che non può esistere in condizioni di equilibrio.
Quando la materia danza al ritmo del tempo
La scoperta riguarda quella che gli scienziati definiscono una fase topologicamente ordinata di Floquet, un tipo di organizzazione della materia che emerge quando un sistema quantistico viene "guidato" periodicamente nel tempo, come un direttore d'orchestra che impone un ritmo preciso ai suoi musicisti.
A differenza delle fasi convenzionali della materia - come solidi, liquidi e gas - che possiamo descrivere attraverso proprietà statiche e di equilibrio, queste fasi esotiche sono definite dal loro comportamento dinamico e dalla loro evoluzione temporale.
Il concetto può sembrare astratto, ma è fondamentale: immaginate un sistema che acquista proprietà completamente nuove proprio grazie al fatto di essere "scosso" ritmicamente. È come se un materiale ordinario, sottoposto a vibrazioni periodiche, sviluppasse caratteristiche che non potrebbe mai avere in stato di riposo.
Per la prima volta nella storia, i ricercatori sono riusciti a visualizzare direttamente i movimenti caratteristici che avvengono ai bordi di questo stato esotico della materia. Utilizzando un algoritmo interferometrico innovativo, hanno potuto sondare le proprietà topologiche nascoste del sistema e osservare quello che definiscono una "trasmutazione dinamica" di particelle esotiche.
Come spiega Melissa Will, dottoranda presso il Dipartimento di Fisica della TUM School of Natural Sciences e prima autrice dello studio: "Le fasi altamente intrecciate fuori dall'equilibrio sono notoriamente difficili da simulare con computer classici. I nostri risultati dimostrano che i processori quantistici non sono solo dispositivi computazionali, ma piattaforme sperimentali potenti per scoprire e investigare stati della materia completamente nuovi."
La rilevanza di questa scoperta va ben oltre la dimostrazione di un fenomeno teorico. I sistemi di Floquet rappresentano una classe particolare di stati quantistici che emergono quando la guida periodica nel tempo genera forme di ordine completamente inedite. Questi stati di non-equilibrio rivelano fenomeni che sono fondamentalmente al di là della portata delle fasi convenzionali della materia, aprendo scenari che la termodinamica tradizionale non può descrivere.
L'esperimento segna l'inizio di una nuova era nella simulazione quantistica, trasformando i computer quantistici in veri e propri laboratori per esplorare il vasto e largamente inesplorato paesaggio della materia quantistica fuori dall'equilibrio.
