Individuato un nuovo fenomeno quantistico

La fisica diventa strana su scala atomica. Gli scienziati stanno utilizzando simulatori analogici quantistici – esperimenti di laboratorio che comportano il raffreddamento di numerosi atomi a basse temperature e il loro esame utilizzando laser e magneti calibrati con precisione – per scoprire, sfruttare e controllare questi insoliti effetti quantistici.

Gli scienziati sperano che qualsiasi nuova comprensione acquisita dai simulatori quantistici fornisca schemi per la progettazione di nuovi materiali esotici, elettronica più intelligente ed efficiente e pratici computer quantistici. Ma per raccogliere le informazioni dai simulatori quantistici, gli scienziati devono prima fidarsi di loro.

In pratica, devono essere sicuri che il loro dispositivo quantistico abbia “alta fedeltà” e rifletta accuratamente il comportamento quantistico. Ad esempio, se un sistema di atomi è facilmente influenzato dal rumore esterno, i ricercatori potrebbero ipotizzare un effetto quantistico dove non ce n’è. Ma fino ad ora non esisteva un modo affidabile per caratterizzare la fedeltà dei simulatori analogici quantistici.

Inoltre, i ricercatori hanno utilizzato questa casualità quantistica come strumento per caratterizzare la fedeltà di un simulatore analogico quantistico. Hanno mostrato attraverso la teoria e gli esperimenti di poter determinare l’accuratezza di un simulatore quantistico analizzando le sue fluttuazioni casuali.

Il team ha sviluppato un nuovo protocollo di benchmarking che può essere applicato ai simulatori analogici quantistici esistenti per misurarne la fedeltà in base al loro modello di fluttuazioni quantistiche. Il protocollo potrebbe aiutare ad accelerare lo sviluppo di nuovi materiali esotici e sistemi di calcolo quantistico.

“Questo lavoro consentirà di caratterizzare molti dispositivi quantistici esistenti con altissima precisione“, afferma il coautore dello studio Soonwon Choi, assistente professore di fisica al MIT. “Suggerisce anche che ci sono strutture teoriche più profonde di quanto avessimo pensato in precedenza dietro la casualità nei sistemi quantistici caotici“.

Evoluzione casuale

Il nuovo studio è stato motivato da un progresso nel 2019 di Google, dove i ricercatori avevano costruito un computer quantistico digitale, soprannominato “Sycamore“, in grado di eseguire un calcolo specifico più rapidamente di un computer classico.

Mentre le unità di calcolo in un computer classico sono “bit” che esistono come 0 o 1, le unità in un computer quantistico, note come “qubit“, possono esistere in una sovrapposizione di più stati. Quando più qubit interagiscono, in teoria possono eseguire algoritmi speciali che risolvono problemi difficili in tempi molto più brevi rispetto a qualsiasi computer classico.

I ricercatori di Google hanno progettato un sistema di circuiti superconduttori in modo che si comportino come 53 qubit e hanno dimostrato che il “computer” potrebbe eseguire un calcolo specifico che normalmente sarebbe troppo spinoso per essere risolto anche dal supercomputer più veloce del mondo.

Google ha anche dimostrato di poter quantificare la fedeltà del sistema. Modificando casualmente lo stato dei singoli qubit e confrontando gli stati risultanti di tutti i 53 qubit con quanto previsto dai principi della meccanica quantistica, sono stati in grado di misurare l’accuratezza del sistema.

Choi e i suoi colleghi si sono chiesti se potevano usare un simile approccio randomizzato per valutare la fedeltà dei simulatori analogici quantistici. Ma c’era un ostacolo da superare: a differenza del sistema quantistico digitale di Google, i singoli atomi e altri qubit nei simulatori analogici sono incredibilmente difficili da manipolare e quindi da controllare in modo casuale.

Attraverso alcuni modelli teorici, Choi si è reso conto che l’effetto collettivo della manipolazione individuale dei qubit nel sistema di Google poteva essere riprodotto in un simulatore quantistico analogico semplicemente lasciando che i qubit si evolvessero naturalmente.

“Abbiamo capito che non dobbiamo progettare questo comportamento casuale“, dice Choi. “Senza messa a punto, possiamo semplicemente lasciare che le dinamiche naturali dei simulatori quantistici si evolvano e il risultato porterà a un modello di casualità simile a quello dovuto al caos“.

Come esempio estremamente semplificato, immagina un sistema di cinque qubit. Ogni qubit può esistere simultaneamente come 0 o 1, fino a quando non viene effettuata una misurazione, dopodiché i qubit si stabilizzano nell’uno o nell’altro stato. Con qualsiasi misurazione, i qubit possono assumere una delle 32 diverse combinazioni: 0-0-0-0-0, 0-0-0-0-1 e così via.

“Queste 32 configurazioni si verificheranno con una certa distribuzione di probabilità simile alle previsioni della fisica statistica“, spiega Choi. “Mostriamo che in media sono d’accordo, ma ci sono deviazioni e fluttuazioni che mostrano una casualità universale che non conoscevamo. E quella casualità sembra la stessa ottenibile eseguendo quelle operazioni casuali che ha fatto Google”.

I ricercatori hanno ipotizzato che se potessero sviluppare una simulazione numerica che rappresenti con precisione la dinamica e le fluttuazioni casuali universali di un simulatore quantistico, potrebbero confrontare i risultati previsti con i risultati effettivi del simulatore. Più i due risultati sono vicini, più accurato sarà il simulatore quantistico.

Per testare questa idea, Choi ha collaborato con gli sperimentatori del Caltech, che hanno progettato un simulatore analogico quantistico composto da 25 atomi. I fisici hanno usato un laser per eccitare collettivamente gli atomi, quindi hanno lasciato che i qubit interagissero ed evolvessero naturalmente nel tempo. Hanno misurato lo stato di ogni qubit su più esecuzioni, raccogliendo in tutto 10.000 misurazioni.

Choi e colleghi hanno anche sviluppato un modello numerico per rappresentare la dinamica quantistica dell’esperimento e hanno incorporato un’equazione che hanno derivato per prevedere le fluttuazioni casuali universali che dovrebbero sorgere. I ricercatori hanno quindi confrontato le loro misurazioni sperimentali con i risultati previsti del modello e hanno osservato una corrispondenza molto ravvicinata: una forte evidenza che questo particolare simulatore può essere considerato attendibile perché riflette un comportamento quantomeccanico puro.

Più in generale, i risultati dimostrano un nuovo modo di caratterizzare quasi tutti i simulatori analogici quantistici esistenti.

“La capacità di caratterizzare i dispositivi quantistici costituisce uno strumento tecnico di base per costruire sistemi quantistici sempre più grandi, precisi e complessi“, afferma Choi. “Con il nostro strumento, si potrà sapere se si sta lavorando con un sistema affidabile“.

Riferimento: “Preparing random states and benchmarking with many-body quantum chaos” di Joonhee Choi, Adam L. Shaw, Ivalo S. Madjarov, Xin Xie, Ran Finkelstein, Jacob P. Covey, Jordan S. Cotler, Daniel K. Mark, 2011; Hsin-Yuan Huang, Anant Kale, Hannes Pichler, Fernando GSL Brandão, Soonwon Choi e Manuel Endres, 18 gennaio 2023 , Natura
DOI: 10.1038/s41586-022-05442-1