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Record di atomi per due simulatori quantistici

Fonte: Le Scienze

30 novembre 2017

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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.

Ma la miniaturizzazione non avrebbe potuto

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.

Due studi pubblicati ora su "Nature" segnano

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.

La particolarità dei qubit è che, in base alle leggi

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.

Ora, manipolare a piacimento i sistemi microscopici

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.

Nel primo studio pubblicato su "Nature",

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.

Con altri laser, gli autori hanno eccitato gli atomi di

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.

"Crediamo che questa tecnica sia scalabile fino

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."

Per arrivare a questo risultato, gli autori hanno

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.

In un primo esperimento, Lukin e colleghi hanno

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.

In un secondo esperimento, gli autori hanno

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.

Nel secondo studio,

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.

I qubit di ioni intrappolati hanno una grande

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.

Usando un metodo proposto da altri ricercatori,

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.

"Grazie all'uso di fasci laser esterni, gli ioni possono

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".