Scoperte nel campo della fisica della materia condensata
Recentemente, un team di ricercatori provenienti da Cina, Spagna, Danimarca e Brasile ha raggiunto un traguardo significativo nel campo della fisica della materia condensata. Hanno simulato con successo la rottura spontanea di simmetria (SSB) a temperatura zero utilizzando un processore quantistico superconduttore. Questo risultato rappresenta una pietra miliare nella comprensione delle interazioni fondamentali della materia e apre nuove prospettive per le applicazioni del calcolo quantistico. Negli ultimi anni, il settore del calcolo quantistico ha visto un’accelerazione notevole, rendendo questa scoperta ancora più rilevante per il futuro della tecnologia.
Importanza della rottura spontanea di simmetria
La rottura spontanea di simmetria è un concetto cruciale in vari ambiti della fisica. Essa è alla base dell’emergere di strutture complesse e gioca un ruolo fondamentale nella formulazione delle leggi di conservazione. La SSB consente di spiegare come le simmetrie possano essere violate, portando a stati di materia con proprietà emergenti. Gli scienziati sono particolarmente interessati a studiare la SSB a temperature prossime allo zero assoluto. Tuttavia, raggiungere fisicamente questo stato è una sfida significativa, poiché i materiali tendono a entrare in uno stato di immobilità.
Il ruolo delle simulazioni nel calcolo quantistico
In questo contesto, le simulazioni si rivelano uno strumento prezioso per la ricerca scientifica. Sebbene i computer classici siano stati utilizzati in passato per eseguire tali simulazioni, i risultati ottenuti sono stati limitati. Le simulazioni condotte a temperature superiori allo zero assoluto richiedono tempi di elaborazione considerevoli e non riescono a catturare appieno le dinamiche desiderate. I ricercatori, sfruttando le peculiarità del calcolo quantistico, come l’intreccio e la sovrapposizione, hanno trovato un modo per superare queste limitazioni, aprendo la strada a nuove scoperte.
Vantaggi dei computer quantistici rispetto a quelli classici
Teoricamente, sia i computer classici che quelli quantistici possono eseguire simulazioni della SSB a temperatura zero. Tuttavia, la differenza sostanziale risiede nel tempo necessario per ottenere risultati. Mentre un computer classico affronta il problema in modo sequenziale, un computer quantistico è in grado di esplorare molteplici soluzioni simultaneamente. Questo approccio accelera esponenzialmente il processo di calcolo. Per comprendere meglio questa differenza, si può pensare a un computer classico come a qualcuno che prova una chiave alla volta per aprire una serratura, mentre un computer quantistico utilizza più chiavi contemporaneamente, grazie al principio di sovrapposizione.
Dettagli sull’esperimento condotto dal team di ricerca
Il team di ricerca, composto da scienziati dell’Istituto di Fisica Fondamentale in Spagna, dell’Università Federale di São Carlos (UFSCar) in Brasile, dell’Università di Aarhus in Danimarca e della Southern University of Science and Technology a Shenzhen, Cina, ha impiegato qubit superconduttori realizzati con leghe di alluminio e niobio. Questi qubit operano a temperature intorno a un millikelvin. L’esperimento ha coinvolto un circuito quantistico composto da sette qubit, progettato per consentire interazioni solo tra i vicini immediati. Successivamente, è stato applicato un algoritmo per simulare l’evoluzione del sistema a temperatura zero, portando a risultati sorprendenti.
Osservazioni e risultati della simulazione
Inizialmente, il sistema si trovava in uno stato antiferromagnetico classico, in cui le particelle presentavano spin orientati in direzioni opposte. Con l’evoluzione del sistema, si è osservata una transizione verso uno stato quantistico ferromagnetico, in cui le particelle allineano i loro spin nella stessa direzione, stabilendo relazioni quantistiche. Questa transizione di fase è stata attribuita alla rottura spontanea di simmetria, come ha spiegato Alan Santos, uno dei ricercatori coinvolti nello studio.
Conferma dell’intreccio e pubblicazione dei risultati
Inoltre, l’intreccio è stato confermato attraverso misurazioni dell’entropia di Rényi, uno strumento utile per quantificare l’intreccio tra sottosistemi. Il fulcro della ricerca era la simulazione della dinamica a temperatura zero. Sebbene studi precedenti avessero già esplorato questo tipo di transizione, lo studio attuale ha dimostrato che, impostando la temperatura a zero, è possibile osservare la rottura di simmetria anche nelle interazioni locali tra particelle, in particolare tra i primi vicini. I risultati di questa innovativa ricerca sono stati pubblicati sulla prestigiosa Nature Communications, contribuendo così a un avanzamento significativo nella comprensione della fisica quantistica e delle sue applicazioni. Per ulteriori dettagli, puoi consultare il comunicato stampa.
