I ricercatori hanno ideato una nuova tecnica per intrappolare gli ioni in strutture 3D utilizzando campi elettrici modificati nelle trappole di Penning, formando cristalli stabili a doppio strato. Questa innovazione apre la strada a dispositivi quantistici più complessi e potrebbe rivoluzionare l’informatica e la rilevazione quantistica, utilizzando lo spazio in modo più efficiente.
Cristalli ionici 3D: una nuova era per il quantum computing
Molti dispositivi quantistici, dai sensori ai computer, utilizzano ioni o atomi carichi intrappolati in campi elettrici e magnetici come piattaforma hardware per elaborare le informazioni. Tuttavia, gli attuali sistemi a ioni intrappolati affrontano sfide importanti.
La maggior parte degli esperimenti è limitata a catene monodimensionali o piani bidimensionali, che limitano la scalabilità e la funzionalità dei dispositivi quantistici. Gli scienziati hanno a lungo sognato di impilare questi in strutture tridimensionali, ma mantenere gli ioni stabili e ben controllati quando sono disposti in modi più complessi si è rivelato molto difficile.
Per affrontare queste sfide, una collaborazione internazionale di fisici provenienti da India, Austria e Stati Uniti, tra cui Ana Maria Rey, membro del JILA e del NIST, insieme agli scienziati del NIST Allison Carter e John Bollinger, ha proposto che la modifica dei campi elettrici che intrappolano gli ioni possa creare strutture stabili e multistrato, aprendo nuove entusiasmanti possibilità per le future tecnologie quantistiche. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Physical Review X.
Rey ha dichiarato: “La capacità di intrappolare grandi insiemi di ioni in due o più strati spazialmente separati in condizioni completamente controllabili apre interessanti opportunità per esplorare nuovi regimi e fenomeni non facilmente accessibili nei cristalli puramente 2D, come le modalità chirali topologiche, il teletrasporto e le misurazioni di precisione di campi spazialmente variabili, tutti rilevanti per la scienza dell’informazione quantistica”.
Gli scienziati creano cristalli ionici 3D
Tra le varie piattaforme esplorate per il calcolo quantistico, gli ioni intrappolati sono emersi come candidati principali grazie al loro elevato grado di controllabilità e alla capacità di eseguire operazioni quantistiche precise. Questi possono essere manipolati con impulsi laser o microonde, che cambiano i loro stati quantistici, consentendo loro di essere “codificati” con informazioni specifiche. Essi, codificati, vengono chiamati bit quantistici o qubit.
Durante questo processo vengono sottoposti anche alla forza di Coulomb o alle interazioni con altri ioni, che i fisici possono sfruttare per creare un entanglement, riducendo il rumore complessivo del sistema e migliorandone le misurazioni.
Samarth Hawaldar, primo autore del documento e ricercatore presso l’Indian Institute of Science, ha spiegato: “Lavori precedenti hanno dimostrato che i cristalli ionici possono formare strutture sferoidali 3D, ma quello che stavamo cercando era un modo per realizzare una matrice impilata di strati 2D. Abbiamo iniziato a esplorare modi per realizzare tali strutture in uno specifico tipo di trappola ionica chiamata trappola di Penning, poiché queste trappole sono adatte a immagazzinare grandi numeri degli stessi, in genere da molte centinaia a migliaia”.
In una trappola di Penning, gli ioni possono essere costretti ad auto-organizzarsi in strutture cristalline generate dalla competizione tra le interazioni repulsive di Coulomb e il potenziale di confinamento, ovvero la forza elettrica e magnetica combinata che li mantiene saldamente intrappolati in una regione specifica dello spazio.
Carter ha affermato: “Il confinamento si ottiene tramite forze elettromagnetiche create da una pila di elettrodi e facendo ruotare gli ioni in un potente campo magnetico”.
Per i fisici, le trappole di Penning sono particolarmente utili poiché esse possono immagazzinare un gran numero di ioni, il che le rende una buona opzione per sperimentare strutture tridimensionali più complesse. Le trappole di Penning sono state utilizzate per disporre gli ioni in un singolo strato bidimensionale o in forme tridimensionali più arrotondate.
La forma tridimensionale arrotondata si verifica perché il campo elettrico di confinamento in queste trappole di solito aumenta linearmente con la distanza dal centro della stessa, come quello di una molla, guidando naturalmente gli ioni in queste formazioni più semplici e arrotondate.
I ricercatori, tra cui Prakriti Shahi dell’Indian Institute of Technology Bombay, tuttavia, hanno provato a modificare il campo elettrico della trappola per renderlo più sfumato e dipendente dalla distanza dal centro. Questo sottile cambiamento ha permesso loro di convincere gli ioni a formare un nuovo tipo di struttura, un cristallo a doppio strato, in cui due strati piatti degli stessi erano impilati uno sopra l’altro.
Il team ha condotto ampie simulazioni numeriche per convalidare il loro nuovo approccio, dimostrando che questa configurazione a doppio strato potrebbe essere stabilizzata in determinate condizioni e suggerendo persino la possibilità di estendere il metodo per creare cristalli con più di due strati.
Bollinger, fisico sperimentale e coautore della pubblicazione, ha dichiarato: “Siamo entusiasti di provare a formare cristalli bi-layer in laboratorio con la nostra attuale configurazione di trappole Penning. A lungo termine, penso che questa idea motiverà una riprogettazione della struttura elettrodica dettagliata delle nostre trappole”.
Dalla 2D alla 3D: cristalli quantistici per un futuro più brillante
Lo spostamento dell’intrappolamento ionico da 2D a 3D ha implicazioni significative per il futuro dei dispositivi quantistici come i sensori o i computer quantistici.
Il dott. Athreya Shankar, ricercatore post-dottorato presso l’Indian Institute of Science, ha affermato: “I cristalli bilayer aprono diverse nuove possibilità per l’elaborazione di informazioni quantistiche che non sono semplici con catene 1D o piani 2D. Ad esempio, la generazione di entanglement quantistico tra grandi sottosistemi separati da una distanza, come i due strati in questo sistema, è una capacità ricercata in tutto l’hardware quantistico”.
Il team è impaziente di testare queste scoperte sperimentalmente nelle loro trappole di Penning. Se avranno successo, ciò potrebbe portare a nuove architetture hardware quantistiche che sfruttano in modo più efficiente lo spazio 3D, aumentando così la scalabilità e la robustezza delle tecnologie quantistiche.
Oltre alle opportunità hardware, i doppi strati aprono nuove possibilità di simulazione e rilevamento quantistico.
Rey ha concluso: “Ad esempio, le modalità normali degli ioni in un doppio strato possono accoppiare gradi di libertà sia verticali che radiali, favorendo l’orologio rispetto alla circolazione antioraria o viceversa. Questo potrebbe essere utilizzato per imitare i comportamenti complessi sperimentati dagli elettroni in forti campi magnetici ma in impostazioni completamente controllabili”.
Ed ha aggiunto: “Inoltre, avere più ioni può migliorare il rapporto segnale/rumore nella misurazione e quindi consentire una stima più precisa di quantità come tempo, campi elettrici o accelerazioni, il che può essere molto importante per scoprire nuova fisica”.
Questa partnership tra ricercatori in India, Austria e USA si è rivelato fondamentale poiché il campo della tecnologia quantistica continua a evolversi. Innovazioni come queste saranno vitali per realizzare il pieno potenziale del quantum computing, del sensing e oltre.
