Rendering dell'artista - by Rachel Davidowitz

Introduzione

Quando gli atomi diventano estremamente vicini, sviluppano interazioni intriganti che potrebbero essere sfruttate per creare nuove generazioni di computer e altre tecnologie. Queste interazioni nel campo della fisica quantistica si sono rivelate difficili da studiare sperimentalmente a causa dei limiti fondamentali dei microscopi ottici.

Un team di ricercatori di Princeton, guidato da Jeff Thompson, assistente professore di ingegneria elettrica, ha sviluppato un nuovo modo per controllare e misurare atomi talmente vicini tra loro che nessuna lente ottica può distinguerli.

Descritto in un articolo pubblicato il 30 ottobre sulla rivista Science, il loro metodo eccita gli atomi di erbio in un cristallo utilizzando un laser finemente sintonizzato in un circuito ottico in scala nanometrica. I ricercatori sfruttano il fatto che ogni atomo risponde a frequenze o colori leggermente diversi della luce laser, permettendo ai ricercatori di risolvere e controllare più atomi, senza fare affidamento sulle loro informazioni sullo spazio.

Oltre il limite di diffrazione

In un microscopio convenzionale, lo spazio tra due atomi scompare effettivamente quando la loro separazione è al di sotto di una distanza chiave chiamata limite di diffrazione, che è approssimativamente uguale alla lunghezza d’onda della luce. Ciò è analogo a due stelle lontane che appaiono come un unico punto di luce nel cielo notturno. Tuttavia, questa è anche la scala alla quale gli atomi cominciano ad interagire e danno origine ad un ricco ed interessante comportamento meccanico quantistico.

Ci chiediamo sempre, al livello più fondamentale – all’interno dei solidi, all’interno dei cristalli – cosa fanno realmente gli atomi? Come interagiscono?” ha detto il fisico Andrei Faraon, professore del California Institute of Technology che non ha partecipato alla ricerca. “Questo [documento] apre la finestra per studiare gli atomi che sono molto, molto vicini”.

Interazioni tra spin

Lo studio degli atomi e delle loro interazioni a piccole distanze permette agli scienziati di esplorare e controllare una proprietà quantistica nota come spin. Come forma di slancio, lo spin è di solito descritto come essere o su o giù (o entrambi, ma questa è un’altra storia). Quando la distanza tra due atomi diventa sempre più piccola – appena un miliardesimo di metro – lo spin dell’uno esercita un’influenza sullo spin dell’altro, e viceversa. Quando gli spin interagiscono in questo regno, possono rimanere intrecciati, un termine che gli scienziati usano per descrivere due o più particelle che sono inestricabilmente legate tra loro. Le particelle intrecciate si comportano come se condividessero un’unica esistenza, non importa quanto distanti diventino in seguito. L’entanglement è il fenomeno essenziale che separa la meccanica quantistica dal mondo classico ed è al centro della visione delle tecnologie quantistiche.

Il nuovo dispositivo di Princeton

Il nuovo dispositivo di Princeton è un trampolino di lancio per gli scienziati per studiare queste interazioni di spin con una chiarezza senza precedenti. Una caratteristica importante di questo nuovo dispositivo è il suo potenziale di mirare centinaia di atomi alla volta, fornendo un ricco laboratorio quantistico in cui raccogliere dati empirici. È una manna per i fisici che sperano di svelare i misteri più profondi della realtà, compresa la natura spettrale dell’intreccio.

Una tale indagine non è semplicemente esoterica. Negli ultimi tre decenni, gli ingegneri hanno cercato di usare i fenomeni quantistici per creare tecnologie complesse per l’elaborazione e la comunicazione dell’informazione, dai blocchi logici dei computer quantistici emergenti, capaci di risolvere problemi altrimenti impossibili, a metodi di comunicazione ultrasecuri che possono collegare le macchine in una Internet quantistica inattaccabile. Per sviluppare ulteriormente questi sistemi, gli scienziati dovranno intrecciare le particelle in modo affidabile e sfruttare il loro intreccio per codificare ed elaborare le informazioni.

Sistema ad erbio

Il team di Thompson ha visto un’opportunità nell’erbio. Tradizionalmente usato nei laser e nei magneti, l’erbio non è stato ampiamente esplorato per l’uso nei sistemi quantistici perché è difficile da osservare, secondo i ricercatori. Il team ha fatto un passo avanti nel 2018, sviluppando un modo per migliorare la luce emessa da questi atomi e per rilevare quel segnale in modo estremamente efficiente. Ora hanno dimostrato di poter fare tutto in massa.

Quando il laser illumina gli atomi, li eccita quanto basta perché emettano una luce debole a una frequenza unica, ma abbastanza delicatamente da preservare e leggere le rotazioni degli atomi. Queste frequenze cambiano sempre più sottilmente a seconda dei diversi stati degli atomi, così che “su” ha una frequenza e “giù” ne ha un’altra e ogni singolo atomo ha la sua coppia di frequenze.

Se si ha un insieme di questi qubit, tutti emettono luce a frequenze leggermente diverse. E così, sintonizzando attentamente il laser sulla frequenza dell’uno o della frequenza dell’altro, possiamo studiarli, anche se non abbiamo la capacità di separarli spazialmente“, ha detto Thompson. “Ogni atomo vede tutta la luce, ma ascolta solo la frequenza su cui è sintonizzato“.

La frequenza della luce è quindi una perfetta proxy per lo spin. La commutazione delle rotazioni su e giù dà ai ricercatori un modo per fare calcoli. È simile ai transistor che si accendono o si spengono in un computer classico, dando origine agli zeri e a quelli del nostro mondo digitale.

Per costituire la base di un utile processore quantistico, questi qubit dovranno fare un passo avanti.

La forza dell’interazione è legata alla distanza tra le due rotazioni“, ha detto Songtao Chen, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Thompson e uno dei due autori principali dell’articolo. “Vogliamo farli avvicinare in modo da poter avere questa interazione reciproca e usare questa interazione per creare una porta logica quantistica“.

Un gate logico quantistico richiede due o più qubit intrecciati, il che lo rende in grado di eseguire operazioni quantistiche uniche, come il calcolo degli schemi di piegatura delle proteine o l’instradamento delle informazioni nell’internet quantistico.

Nuovo tipo di qubit

Thompson, che detiene una posizione di leadership presso la nuova iniziativa di scienza quantistica del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti da 115 milioni di dollari, ha la missione di mettere a tacere questi qubit. Nell’ambito della spinta dei materiali del Co-Design Center for Quantum Advantage, egli guida i sotto-qubit per l’informatica e il networking.

Il suo sistema ad erbio, un nuovo tipo di qubit particolarmente utile nelle applicazioni di rete, può operare utilizzando l’infrastruttura di telecomunicazioni esistente, inviando segnali sotto forma di luce codificata su dispositivi in silicio e fibre ottiche. Queste due proprietà conferiscono all’erbio un vantaggio industriale rispetto agli odierni qubit a stato solido più avanzati, che trasmettono informazioni attraverso lunghezze d’onda della luce visibile che non funzionano bene con le reti di comunicazione in fibra ottica.

Tuttavia, per operare in scala, il sistema dell’erbio dovrà essere ulteriormente ingegnerizzato.

Mentre il team può controllare e misurare lo stato di spin dei suoi qubit, non importa quanto si avvicinino, e usare strutture ottiche per produrre misure ad alta fedeltà, non può ancora disporre i qubit come necessario per formare dei gate a due qubit. Per fare ciò, gli ingegneri dovranno trovare un materiale diverso per ospitare gli atomi di erbio. Lo studio è stato progettato pensando a questo futuro miglioramento.

Uno dei maggiori vantaggi del modo in cui abbiamo fatto questo esperimento è che non ha nulla a che fare con l’ospite in cui si trova l’erbio“, ha detto Mouktik Raha, uno studente del sesto anno di ingegneria elettrica e uno dei due autori principali dello studio. “Finché riesci a metterci dentro l’erbio e non si agita, sei a posto“.

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