Cristalli di tempo: come Google ha creato nel 2021 una nuova fase della materia

Un cristallo, per come lo conoscete, è qualcosa che ripete un motivo nello spazio: il sale da cucina ripete cubi di ioni sodio e cloro, il diamante ripete tetraedri di carbonio. Nel 2012 il premio Nobel Frank Wilczek si pose una domanda che alla maggior parte dei colleghi sembrò fantasia: e se esistesse un cristallo che ripete un motivo nel tempo?

Sembrava paradossale. Un cristallo del genere oscillerebbe in modo regolare senza che nessuno spinga il pendolo, e nello stato di minima energia possibile. Una specie di moto perpetuo, vietato dalla seconda legge della termodinamica. L'articolo originale di Wilczek su Physical Review Letters (2012) suscitò scetticismo immediato; due anni dopo un gruppo guidato da Haruki Watanabe e Masaki Oshikawa dimostrò che, nello stato di equilibrio termico, i cristalli di tempo continui di Wilczek non possono esistere. La porta sembrava chiusa.

La scappatoia fuori dall'equilibrio

La porta si è riaperta da un'altra parte. I fisici si sono accorti che, se si rinuncia all'equilibrio termico e si lavora con sistemi periodicamente forzati (in gergo: Floquet systems), si possono costruire fasi della materia che oscillano a un periodo diverso da quello del forzante. In altre parole: pulsi il sistema una volta al secondo, e quello risponde una volta ogni due secondi. La risposta non è una banale risonanza, ma una vera rottura spontanea della simmetria di traslazione temporale, robusta rispetto al disordine. Sono i cosiddetti discrete time crystals, proposti teoricamente nel 2016 da Krzysztof Sacha e poi formalizzati da Norman Yao, Vedika Khemani e collaboratori.

I primi esperimenti del 2017 (Christopher Monroe a Maryland con ioni intrappolati; Mikhail Lukin a Harvard con difetti del diamante) mostrarono firme di questa fase ma su scale temporali limitate. La vera prova di robustezza è arrivata nel 2021.

20 qubit e una pulsazione fuori sincrono

Il 30 novembre 2021 Nature ha pubblicato "Observation of Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor" firmato da un team di Stanford University, Google Quantum AI, Max Planck Institute for Physics of Complex Systems e University of Oxford. Gli autori, capeggiati da Xiao Mi e Matteo Ippoliti, hanno usato 20 qubit superconduttori del processore Sycamore di Google. La sequenza è semplice: con un treno di impulsi a microonde si "colpisce" il reticolo di qubit, alternando passi che fanno ruotare gli spin e passi che li lasciano interagire fra loro. Risultato: gli spin si capovolgono solo una volta ogni due impulsi, esibendo la subarmonica tipica di un cristallo di tempo discreto.

La differenza decisiva rispetto agli esperimenti precedenti è stata dimostrare la stabilità della fase per migliaia di cicli senza che il sistema assorbisse energia o si riscaldasse: una proprietà chiamata many-body localization, una sorta di "congelamento" quantistico che impedisce alla dinamica caotica di distruggere l'oscillazione. Lo comunicato di Stanford spiega che è la prima volta che un cristallo di tempo viene osservato in tutte le condizioni richieste dalla teoria.

Non è moto perpetuo

La domanda inevitabile è: si ricava energia da un cristallo di tempo? La risposta è no. Un cristallo di tempo non viola la conservazione dell'energia: oscilla a un ritmo proprio, ma se gli si sottrae energia perde la sua periodicità. È un'orologio quantistico più che una pila, e la sua robustezza interessa per ragioni completamente diverse dall'idea naïf di "motore gratis". Le applicazioni più discusse riguardano la memorizzazione quantistica (un cristallo di tempo immagazzina informazione a lungo termine senza perderla), la metrologia di precisione e la possibilità di studiare in laboratorio fasi della materia esotiche, fuori equilibrio, che la natura non offre spontaneamente.

Il punto del 2026

Negli anni successivi all'esperimento Google, altri gruppi hanno replicato il fenomeno su piattaforme diverse: nel 2022 con simulatori NMR (Delft), nel 2023 con magnoni in YIG (Lancaster), nel 2024 su processori a ioni intrappolati. Una rassegna su Wikipedia tiene aggiornato l'elenco. Il consenso comunitario oggi è che i discrete time crystals esistono come fase robusta della materia in sistemi quantistici a molti corpi, e che possono essere ingegnerizzati su scala di laboratorio. Restano aperte le questioni più ambiziose: esistono cristalli di tempo "continui", a la Wilczek, in sistemi aperti? Si possono usare per costruire computer quantistici più tolleranti al rumore? Per Wilczek, oggi al MIT, l'imbarazzo del 2012 si è trasformato in una piccola rivoluzione. "Quando pensiamo a qualcosa di nuovo," ha detto a Quanta Magazine dopo l'annuncio di Google, "di solito non è perché qualcuno ha trovato un nuovo oggetto. È perché qualcuno ha fatto una domanda diversa." E la sua, di domanda, ha resistito molto bene al tempo.