Il concetto di movimento perpetuo, nella fisica quantistica, non è più un paradosso impossibile ma una realtà sperimentale che potrebbe rivoluzionare il futuro dell'informatica quantistica. Un gruppo di ricercatori finlandesi dell'Università di Aalto ha compiuto un passo decisivo in questa direzione, riuscendo per la prima volta a collegare un cristallo temporale a un sistema esterno, aprendo prospettive inedite per lo sviluppo di sensori ultra-precisi e dispositivi di memoria per computer quantistici di nuova generazione.
L'esperimento condotto dal team guidato da Jere Mäkinen, ricercatore dell'Accademia finlandese presso il Dipartimento di Fisica Applicata, rappresenta una svolta significativa. I risultati dello studio, pubblicati sulla prestigiosa rivista Nature Communications, dimostrano non solo la possibilità di connettere questi enigmatici sistemi quantistici al mondo esterno, ma anche la capacità di modificarne le proprietà attraverso tale interazione.
Per comprendere l'importanza di questa scoperta, occorre fare un passo indietro. Il concetto di cristallo temporale fu proposto nel 2012 dal premio Nobel per la Fisica Frank Wilczek, che immaginò sistemi quantistici capaci di organizzarsi non nello spazio come i cristalli ordinari, ma nel tempo. Proprio come un cristallo tradizionale deve la sua iridescenza a una struttura atomica altamente regolare, un cristallo temporale si caratterizza per movimenti che si ripetono perpetuamente nel suo stato energetico più basso, senza necessità di apporto energetico esterno. La loro esistenza fu confermata sperimentalmente nel 2016.
La procedura seguita dai fisici finlandesi ha richiesto condizioni estreme. Il gruppo ha utilizzato onde radio per iniettare magnoni in un superfluido di elio-3 raffreddato a temperature prossime allo zero assoluto. I magnoni sono quasiparticelle, ovvero insiemi di particelle che si comportano come se fossero singole entità. Nel momento in cui il pompaggio è stato interrotto, i magnoni hanno formato un cristallo temporale rimasto in movimento per un periodo straordinariamente lungo: fino a 108 cicli, corrispondenti a diversi minuti, prima di affievolirsi al di sotto della soglia di osservabilità.
Durante questo processo di dissolvenza, è accaduto qualcosa di inaspettato. Il cristallo temporale si è connesso spontaneamente a un oscillatore meccanico vicino, secondo modalità determinate dalla frequenza e dall'ampiezza dell'oscillatore stesso. Questo comportamento rappresenta la prima dimostrazione pratica di un'interazione controllata tra un cristallo temporale e un sistema esterno, un traguardo considerato fino a poco tempo fa impossibile.
Secondo Mäkinen, "il moto perpetuo è possibile nel regno quantistico purché non venga disturbato da input energetici esterni, come l'osservazione diretta. Per questo motivo un cristallo temporale non era mai stato connesso prima a nessun sistema esterno. Ma noi ci siamo riusciti e abbiamo dimostrato, sempre per la prima volta, che è possibile regolare le proprietà del cristallo utilizzando questo metodo".
Le implicazioni pratiche di questa scoperta sono potenzialmente rivoluzionarie. Il team ha evidenziato come le variazioni nella frequenza del cristallo temporale siano completamente analoghe ai fenomeni optomeccanici ampiamente noti in fisica. Si tratta degli stessi principi utilizzati, ad esempio, per rilevare le onde gravitazionali presso il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory negli Stati Uniti, un paragone che rende l'idea della precisione raggiungibile.
Ottimizzando il sistema attraverso la riduzione della perdita energetica e l'aumento della frequenza dell'oscillatore meccanico, la configurazione sperimentale potrebbe essere perfezionata fino a raggiungere il confine stesso del regno quantistico. Questo apre scenari affascinanti per applicazioni tecnologiche concrete, trasformando i cristalli temporali da curiosità teorica a strumento potenzialmente utilizzabile.
Le prospettive applicative sono molteplici e ambiziose. I cristalli temporali durano per ordini di grandezza più lunghi rispetto ai sistemi quantistici attualmente impiegati nell'informatica quantistica. Nel migliore degli scenari, potrebbero alimentare i sistemi di memoria dei computer quantistici, migliorandone significativamente le prestazioni e la stabilità. La loro longevità intrinseca rappresenterebbe un vantaggio decisivo rispetto alle attuali tecnologie, afflitte da tempi di coerenza quantistica estremamente brevi.
Un'altra applicazione promettente riguarda l'utilizzo come pettini di frequenza, dispositivi impiegati in strumenti di misurazione ad altissima sensibilità come riferimenti di frequenza. La stabilità temporale di questi sistemi potrebbe garantire livelli di precisione finora irraggiungibili, con ricadute in campi che spaziano dalla metrologia alla diagnostica medica avanzata. La capacità dimostrata di regolare le proprietà dei cristalli temporali attraverso l'accoppiamento con sistemi esterni amplifica ulteriormente il potenziale di queste strutture quantistiche, suggerendo possibilità di sintonizzazione e controllo che solo pochi anni fa sembravano appartenere al regno della fantascienza.