Fonte: Le Scienze30 novembre 2017
tDue studi hanno dimostrato la possibilità dicontrollare un numero eccezionalmente altodi atomi neutri o ionizzati, mantenuti in posi-zioni fisse a temperature prossime allo zeroassoluto.I risultati degli esperimenti rappresentano undeciso passo in avanti verso la realizzazione diqubit, gli analoghi quantistici delle unità d'informa-zione binaria, su cui si baseranno in futuro icomputer quantistici(red
computer sciencefisica delle particellePer molti decenni lo sviluppo dei computer haseguito la miniaturizzazione dei componentielettronici secondo la legge formulata da GordonMoore, cofondatore di Intel, e nota appunto come"legge di Moore".Ricavata da dati empirici, questa legge affermache "la complessità di un microcircuito, misuratatramite il numero di transistor per chip, raddoppiaogni 18 mesi".E poiché la capacità di calcolo è direttamenteproporzionale al numero di transistor per chip,anch'essa raddoppia nello stesso arco di tempo.Ma la miniaturizzazione non avrebbe potutochiaramente continuare all'infinito: alcuni annifa le tecniche industriali di produzione dei circuitiintegrati hanno quasi raggiunto il proprio limitefisico. Una delle possibili strategie per aggirarequesto problema è usare atomi e molecole comecomponenti fondamentali dei calcolatori, e conessi realizzare i cosiddetti computer quantistici.Due studi pubblicati ora su "Nature" segnanoun passo in avanti sulla lunga strada per larealizzazione di questi dispositivi: si tratta didue simulatori quantistici, ciascuno costituitoda un numero eccezionalmente elevato di qubit,gli analoghi quantistici dei bit, le unità di informa-zione binaria su cui si basa il calcolo automaticoconvenzionale.
Illustrazione di una schiera di qubit controllati dafasci laser esterni.(Credit: E. Edwards/JQL)Nel computer che usiamotutti i giorni le informazioni sono codificate in serienumeriche di varia lunghezza composte solo da 0e 1, che a loro volta corrispondono a due diversistati di un interruttore di un circuito elettrico,rispettivamente aperto e chiuso.Nei computer quantistici, l'informazione è codificatadagli stati di sistemi microscopici, per esempio dallospin, che possiamo immaginare come la direzionedella rotazione di una particelle attorno al proprioasse, che in uno ione può assumere i valori di "su"e "giù": si parla quindi di qubit, cioè bit d'informa-zione quantistica.La particolarità dei qubit è che, in base alle leggidella meccanica quantistica, possono esisteresimultaneamente in una combinazione di statifondamentali, aumentando esponenzialmentele possibilità di codifica delle informazioni e quindile capacità di calcolo.Ora, manipolare a piacimento i sistemi microscopiciè un compito molto complicato.Altrettanto complicato è prevederne il comportamento,soprattutto quando si mettono insieme numerosi qubit.Per questo sono nati i simulatori quantistici, chepermettono di verificare i processi tipici di questisistemi in condizioni controllate e non necessariamentelegate alle finalità di calcolo.
Nel primo studio pubblicato su "Nature",Mikhail Lukin e colleghi della Harvard University hannousato "pinze ottiche", costituite da campi di fasci laser,per mantenere in posizioni fisse 51 atomi di rubidiomantenuti a una temperatura di poche frazioni digrado al di sopra dello zero assoluto.Con altri laser, gli autori hanno eccitato gli atomi dirubidio dallo stato elettronico fondamentale allostato di Rydberg, in cui uno degli elettroni orbitalisi trova molto distante dal nucleo.L'interesse ai fini applicativi è che un atomo diRydberg ha un momento di dipolo elettrico - cioèl'entità della separazione tra addensamenti dicariche elettriche positive e negative - moltoelevato; i diversi dipoli possono così interagiretra loro anche a una distanza relativamentegrande, fornendo un modo per far comunicaretra loro diversi qubit.Questa tecnica ha il vantaggio di poter realizzareschiere anche molto ampie di atomi."Crediamo che questa tecnica sia scalabile finoad alcune centinaia di atomi", ha spiegato VladanVuletic, che ha partecipato allo studio."E se si vuole usare questo sistema in un computerquantistico, occorrono proprio schiere dell'ordinedi 100 atomi."Per arrivare a questo risultato, gli autori hannodovuto superare una difficoltà in particolare: gliatomi rimangono intrappolati solo quando sononello stato elettronico fondamentale.Gli sperimentatori però sono riusciti a studiare glieffetti associati agli stati di Rydberg perché, durantel'eccitazione degli atomi, i laser possono esserespenti per un tempo breve, sufficiente a fare inmodo che gli atomi rimangano fermi nella loro posizione.E una volta riaccesi i laser, è possibile rilevare lostato quantistico del sistema. Il dispositivo forniscecosì una via promettente per realizzare sistemidi molti qubit con interazioni a lungo raggiocontrollabili dall'esterno.In un primo esperimento, Lukin e colleghi hannopotuto simulare, con il nuovo dispositivo, unaversione programmabile del modello di Ising, unmodello fisico-matematico utilizzato per studiarefenomeni collettivi in cui i costituenti interagisconotra di loro. Nel caso specifico, grazie ai 51 atomiintrappolati gli autori hanno riprodotto transizionidi fase, cioè processi che coinvolgono passaggi distato della materia (per esempio, l'acqua allo statoliquido che diventa ghiaccio).Il dispositivo ha permesso di simulare in particolareil riorientamento degli spin atomici che porta a struttureordinate note come cristalli di Rydberg.In un secondo esperimento, gli autori hannoapplicato al sistema un rapido cambiamento neiparametri fisici per testarne la risposta.Le misurazioni hanno evidenziato una caratteristicadinamica oscillatoria, che è un indicatore della naturaquantistica delle correlazioni esistenti tra gli atomi.
Nel secondo studio,Christopher Monroe e colleghi dell'Università delMaryland a College Park, grazie a campi elettricihanno intrappolato 53 ioni itterbio mantenuti atemperature prossime allo zero assoluto, ciascunodei quali codifica un qubit.I qubit di ioni intrappolati hanno una grandeversatilità: possono effettuare operazioni logichequantistiche di elevata qualità, come ha dimostratoun filone di ricerca molto attivo negli ultimi anni.Finora i simulatori quantistici di questo tipo sonoarrivati a un massimo di 16 ioni: aver dimostratoche è possibile arrivare a 53 è quindi un notevolepasso avanti.Usando un metodo proposto da altri ricercatori,Monroe e colleghi hanno indotto forti interazionia lungo raggio tra i qubit, poi hanno effettuato deitest, misurando le reazioni dei simulatore condiversi parametri fisici. In questo modo hannodocumentato non solo la presenza di correlazioniquantistiche tra coppie di qubit, ma anche correlazionidi ordine più alto, ciò che coinvolgono diversi qubitsecondo schemi non banali."Grazie all'uso di fasci laser esterni, gli ioni possonoessere connessi tra loro", ha sottolineato Monroe."Ciò significa che lo stesso dispositivo può essereriprogrammato e riconfigurato dall'esterno per essereadattato a qualunque tipo di simulazione quantisticao futura applicazione di calcolo quantistico".