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Record di atomi per due simulatori quantistici
Post n°2020 pubblicato il 12 Marzo 2019 da blogtecaolivelli
Fonte: Le Scienze 30 novembre 2017 Due studi hanno dimostrato la possibilità di controllare un numero eccezionalmente alto di atomi neutri o ionizzati, mantenuti in posi- zioni fisse a temperature prossime allo zero assoluto. I risultati degli esperimenti rappresentano un deciso passo in avanti verso la realizzazione di qubit, gli analoghi quantistici delle unità d'informa- zione binaria, su cui si baseranno in futuro i computer quantistici(red computer sciencefisica delle particelle Per molti decenni lo sviluppo dei computer ha seguito la miniaturizzazione dei componenti elettronici secondo la legge formulata da Gordon Moore, cofondatore di Intel, e nota appunto come "legge di Moore". Ricavata da dati empirici, questa legge afferma che "la complessità di un microcircuito, misurata tramite il numero di transistor per chip, raddoppia ogni 18 mesi". E poiché la capacità di calcolo è direttamente proporzionale al numero di transistor per chip, anch'essa raddoppia nello stesso arco di tempo. chiaramente continuare all'infinito: alcuni anni fa le tecniche industriali di produzione dei circuiti integrati hanno quasi raggiunto il proprio limite fisico. Una delle possibili strategie per aggirare questo problema è usare atomi e molecole come componenti fondamentali dei calcolatori, e con essi realizzare i cosiddetti computer quantistici. un passo in avanti sulla lunga strada per la realizzazione di questi dispositivi: si tratta di due simulatori quantistici, ciascuno costituito da un numero eccezionalmente elevato di qubit, gli analoghi quantistici dei bit, le unità di informa- zione binaria su cui si basa il calcolo automatico convenzionale. Illustrazione di una schiera di qubit controllati da fasci laser esterni. (Credit: E. Edwards/JQL)Nel computer che usiamo tutti i giorni le informazioni sono codificate in serie numeriche di varia lunghezza composte solo da 0 e 1, che a loro volta corrispondono a due diversi stati di un interruttore di un circuito elettrico, rispettivamente aperto e chiuso. Nei computer quantistici, l'informazione è codificata dagli stati di sistemi microscopici, per esempio dallo spin, che possiamo immaginare come la direzione della rotazione di una particelle attorno al proprio asse, che in uno ione può assumere i valori di "su" e "giù": si parla quindi di qubit, cioè bit d'informa- zione quantistica. della meccanica quantistica, possono esistere simultaneamente in una combinazione di stati fondamentali, aumentando esponenzialmente le possibilità di codifica delle informazioni e quindi le capacità di calcolo. è un compito molto complicato. Altrettanto complicato è prevederne il comportamento, soprattutto quando si mettono insieme numerosi qubit. Per questo sono nati i simulatori quantistici, che permettono di verificare i processi tipici di questi sistemi in condizioni controllate e non necessariamente legate alle finalità di calcolo. Mikhail Lukin e colleghi della Harvard University hanno usato "pinze ottiche", costituite da campi di fasci laser, per mantenere in posizioni fisse 51 atomi di rubidio mantenuti a una temperatura di poche frazioni di grado al di sopra dello zero assoluto. rubidio dallo stato elettronico fondamentale allo stato di Rydberg, in cui uno degli elettroni orbitali si trova molto distante dal nucleo. L'interesse ai fini applicativi è che un atomo di Rydberg ha un momento di dipolo elettrico - cioè l'entità della separazione tra addensamenti di cariche elettriche positive e negative - molto elevato; i diversi dipoli possono così interagire tra loro anche a una distanza relativamente grande, fornendo un modo per far comunicare tra loro diversi qubit. Questa tecnica ha il vantaggio di poter realizzare schiere anche molto ampie di atomi. ad alcune centinaia di atomi", ha spiegato Vladan Vuletic, che ha partecipato allo studio. "E se si vuole usare questo sistema in un computer quantistico, occorrono proprio schiere dell'ordine di 100 atomi." dovuto superare una difficoltà in particolare: gli atomi rimangono intrappolati solo quando sono nello stato elettronico fondamentale. Gli sperimentatori però sono riusciti a studiare gli effetti associati agli stati di Rydberg perché, durante l'eccitazione degli atomi, i laser possono essere spenti per un tempo breve, sufficiente a fare in modo che gli atomi rimangano fermi nella loro posizione. E una volta riaccesi i laser, è possibile rilevare lo stato quantistico del sistema. Il dispositivo fornisce così una via promettente per realizzare sistemi di molti qubit con interazioni a lungo raggio controllabili dall'esterno. potuto simulare, con il nuovo dispositivo, una versione programmabile del modello di Ising, un modello fisico-matematico utilizzato per studiare fenomeni collettivi in cui i costituenti interagiscono tra di loro. Nel caso specifico, grazie ai 51 atomi intrappolati gli autori hanno riprodotto transizioni di fase, cioè processi che coinvolgono passaggi di stato della materia (per esempio, l'acqua allo stato liquido che diventa ghiaccio). Il dispositivo ha permesso di simulare in particolare il riorientamento degli spin atomici che porta a strutture ordinate note come cristalli di Rydberg. applicato al sistema un rapido cambiamento nei parametri fisici per testarne la risposta. Le misurazioni hanno evidenziato una caratteristica dinamica oscillatoria, che è un indicatore della natura quantistica delle correlazioni esistenti tra gli atomi. Christopher Monroe e colleghi dell'Università del Maryland a College Park, grazie a campi elettrici hanno intrappolato 53 ioni itterbio mantenuti a temperature prossime allo zero assoluto, ciascuno dei quali codifica un qubit. versatilità: possono effettuare operazioni logiche quantistiche di elevata qualità, come ha dimostrato un filone di ricerca molto attivo negli ultimi anni. Finora i simulatori quantistici di questo tipo sono arrivati a un massimo di 16 ioni: aver dimostrato che è possibile arrivare a 53 è quindi un notevole passo avanti. Monroe e colleghi hanno indotto forti interazioni a lungo raggio tra i qubit, poi hanno effettuato dei test, misurando le reazioni dei simulatore con diversi parametri fisici. In questo modo hanno documentato non solo la presenza di correlazioni quantistiche tra coppie di qubit, ma anche correlazioni di ordine più alto, ciò che coinvolgono diversi qubit secondo schemi non banali. essere connessi tra loro", ha sottolineato Monroe. "Ciò significa che lo stesso dispositivo può essere riprogrammato e riconfigurato dall'esterno per essere adattato a qualunque tipo di simulazione quantistica o futura applicazione di calcolo quantistico". |
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