Una svolta nella fisica teorica è un passo importante verso la previsione del comportamento della materia fondamentale di cui è costruito il nostro mondo. Può essere utilizzata per calcolare sistemi di enormi quantità di particelle quantistiche, una prodezza ritenuta impossibile prima.
La "mappa" per i superconduttori
La nuova ricerca dell'Università di Copenaghen potrebbe rivelarsi di grande importanza per la progettazione di computer quantistici e potrebbe persino essere una mappa per superconduttori che funzionano a temperatura ambiente. Il paper è pubblicato sulla rivista Physical Review X.
Ai margini della fisica teorica, Berislav Buca indaga sull'apparentemente impossibile attraverso matematica "esotica". La sua ultima teoria non fa eccezione. Rendendo possibile calcolare le dinamiche, cioè i movimenti e le interazioni, di sistemi con enormi quantità di particelle quantistiche, ha prodotto qualcosa che era stato scartato in fisica. Un'"impossibilità" resa possibile.
Possiamo prevedere tutto?
La svolta ha ravvivato una vecchia e fondamentale domanda scientifica: Teoricamente, se tutto il comportamento dell'universo può essere calcolato attraverso le leggi della fisica, possiamo quindi prevedere tutto calcolando le sue particelle più piccole?
"In fin dei conti, molte discipline della fisica mirano a spiegare e prevedere il mondo capendo le leggi della fisica e calcolando il comportamento delle particelle più piccole. In linea di principio, saremmo in grado di rispondere a qualsiasi domanda possibile su come si comportino tutte le cose se fossimo in grado di farlo", dice Buca dell'Istituto Niels Bohr dell'Università di Copenaghen.
"In linea di principio, il comportamento di tutto nell'universo può essere compreso dalle leggi microscopiche che governano la dinamica delle particelle", dice, appellandosi rapidamente alla cautela.
"Ovviamente non posso farlo", dice il teorico.
Nella giusta direzione
Le interazioni e i movimenti delle particelle quantistiche nei loro sistemi sono così complessi, spiega il ricercatore, che anche il supercomputer più potente del mondo oggi è in grado di eseguire calcoli su una dozzina di queste particelle alla volta.
Allo stesso tempo, un singolo atomo è composto almeno da due particelle quantistiche e un singolo granello di sabbia di circa 50 miliardi di miliardi di atomi – per non parlare di un gatto o di qualsiasi altra cosa si voglia capire nel nostro universo.
"Quindi, in pratica, non è possibile. Non attualmente. Tuttavia, la mia teoria è un passo significativo nella giusta direzione. Questo perché prende una sorta di scorciatoia matematica per comprendere la dinamica dell'intero, senza che la potenza di calcolo venga persa nei dettagli per una vasta classe di sistemi con molte particelle quantistiche. Cioè, senza la necessità di calcolare tutte le singole particelle in un sistema", spiega Buca.
La termalizzazione degli autostati
La teoria si è già fatta un nome fornendo la prima prova matematica di un'ipotesi a lungo sostenuta nella fisica teorica.
Finora, la cosiddetta ipotesi di termalizzazione degli autostati è stata un'assunzione – un'ipotesi educata – in fisica che doveva ancora essere spiegata matematicamente. Riguarda la capacità della matematica di descrivere i movimenti dei sistemi quantistici come un tutto.
Pertanto, la teoria di Buca ha già dimostrato il suo valore come ricerca teorica di base e ha realizzato ciò che i teorici consideravano da tempo impossibile. Mentre i risultati interessano principalmente le menti brillanti della fisica per ora, le conseguenze potrebbero essere grandi per tutti noi.
Afferrare le più grandi "prede" scientifiche
Questo sapere potrebbe finire per mostrare la via verso i materiali quantistici tanto ricercati con proprietà così uniche da poter trasformare il nostro mondo.
Questi materiali quantistici sono un prerequisito per afferrare alcune delle più grandi "prede" scientifiche, come computer quantistici stabili o persino superconduttori che funzionano a temperatura ambiente.
"Stiamo cercando un materiale per i computer quantistici che possa resistere all'entropia – una legge della natura che fa sì che i sistemi complessi – ad esempio, i materiali – si degradino in forme meno complesse. L'entropia distrugge la coerenza necessaria affinché i computer quantistici siano stabili e continuino a funzionare", spiega Buca.
I sistemi matematici esotici che inizialmente lo hanno ispirato e reso possibile la svolta della sua ricerca potrebbero essere proprio ciò di cui ha bisogno un computer quantistico per essere veramente utile.
"I cosiddetti qubit con cui teoricamente lavora un computer quantistico devono essere in uno stato di sovrapposizione per funzionare, il che significa che sono contemporaneamente accesi e spenti – in frase comune. Questo richiede che siano in uno stato quantistico stabile. Tuttavia, la termodinamica non ama le strutture richieste dai materiali attuali. La mia teoria potrebbe essere in grado di informarci se questi sistemi esotici possano essere un modo di strutturare le cose in modo che questo stato quantistico possa essere più permanente", dice Buca.
"Fino ad ora, la caccia a questi materiali è stata governata dal caso. Ma i miei risultati possono, per la prima volta, fornire un principio guida su cui orientarsi quando si cercano proprietà uniche nei materiali", conclude Buca.