Campionamento dei bosoni con atomi ultrafreddi: un passo avanti verso i computer quantistici

I ricercatori hanno dimostrato un nuovo metodo di campionamento dei bosoni utilizzando atomi ultrafreddi, segnando un progresso significativo rispetto alle tecniche precedenti.

Utilizzando pinzette ottiche e un raffreddamento avanzato, il metodo ha consentito un controllo preciso degli atomi in un reticolo, aiutando in complessi calcoli quantistici che sono poco pratici per i computer classici.

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Nuovo metodo di campionamento dei bosoni

Nella vita quotidiana, l’indistinguibilità di due oggetti è spesso dovuta a una conoscenza imperfetta. Nel caso del gioco di prestigio con le coppe e le palline, in teoria sarebbe possibile tenere traccia di quale pallina si trova in ogni coppa durante il mescolamento. Tuttavia, a scale più piccole in natura, anche l’occhio più attento non è in grado di distinguere un oggetto dall’altro. Questa vera indistinguibilità può modificare radicalmente il comportamento degli oggetti stessi.

Un esempio lampante è l’esperimento di Hong, Ou e Mandel, dove due fotoni identici (considerati come sfere) colpiscono i lati opposti di uno specchio semiriflettente. In questo caso, i fotoni emergono sempre dallo stesso lato dello specchio (come se finissero nella stessa coppa).

Questo fenomeno non è dovuto a un’interazione diretta tra i fotoni, bensì a un particolare tipo di interferenza. Con un numero maggiore di fotoni e specchi, questa interferenza diventa estremamente complessa.

Misurare la struttura dei fotoni che emergono da un dato labirinto di specchi è noto come “campionamento dei bosoni”. Si ritiene che sia impossibile simulare il campionamento dei bosoni su un computer classico per più di poche decine di fotoni.

Di conseguenza, è stato compiuto uno sforzo significativo per eseguire tali esperimenti con i fotoni e dimostrare che un dispositivo quantistico sta eseguendo un compito computazionale (non universale) che non può essere eseguito classicamente. Questo sforzo è culminato in recenti affermazioni di vantaggio quantistico utilizzando i fotoni.

In un articolo pubblicato di recente su Nature, Adam Kaufman, membro del JILA, fisico del National Institute of Standards and Technology (NIST) e professore di fisica dell’Università del Colorado Boulder, e il suo team, insieme ai collaboratori del NIST, hanno dimostrato un nuovo metodo di campionamento dei bosoni utilizzando atomi ultrafreddi (in particolare atomi bosonici) in un reticolo ottico bidimensionale di raggi laser che si intersecano.

Utilizzando strumenti come pinzette ottiche, è possibile preparare modelli specifici di atomi identici. Gli atomi possono essere propagati attraverso il reticolo con una perdita minima e la loro posizione rilevata con una precisione quasi perfetta dopo il loro viaggio. Il risultato è un’implementazione del campionamento dei bosoni che rappresenta un passo avanti significativo rispetto a quanto ottenuto in precedenza, sia nelle simulazioni al computer che con i fotoni.

Kaufman ha dichiarato: “Le pinzette ottiche hanno consentito esperimenti innovativi nella fisica a molti corpi, spesso per studi su atomi che interagiscono tra loro, dove gli atomi sono bloccati nello spazio e interagiscono su lunghe distanze. Tuttavia, un’ampia classe di problemi fondamentali a molti corpi – i cosiddetti sistemi ‘Hubbard’ – sorgono quando le particelle possono interagire e creare tunnel, diffondendosi meccanicamente nello spazio. All’inizio della realizzazione di questo esperimento, ci eravamo posti l’obiettivo di applicare questo paradigma delle pinzette ai sistemi Hubbard su larga scala: questa pubblicazione segna la prima realizzazione di quella visione”.

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Atomi ultrafreddi per un campionamento dei bosoni più preciso

Per ottenere questi risultati, i ricercatori hanno utilizzato diverse tecniche all’avanguardia, tra cui pinzette ottiche – laser altamente focalizzati in grado di spostare singoli atomi con estrema precisione – e metodi di raffreddamento avanzati che portano gli atomi vicino alla temperatura dello zero assoluto, minimizzando il loro movimento e consentendo precise controllo e misurazione.

Similmente a come una lente d’ingrandimento crea un puntino di luce quando viene messa a fuoco, le pinzette ottiche possono trattenere i singoli atomi in potenti fasci di luce, consentendo loro di essere spostati con maggiore precisione. Usando queste pinzette, i ricercatori hanno preparato modelli specifici fino a 180 atomi di stronzio in un reticolo di 1.000 siti, formato dall’intersezione di raggi laser che creano uno schema a griglia di potenziali pozzi di energia per intrappolare gli atomi.

Il team ha anche utilizzato sofisticate tecniche di raffreddamento laser per preparare gli atomi, assicurando che rimanessero nel loro stato energetico più basso, riducendo così il rumore e la decoerenza, sfide comuni negli esperimenti quantistici.

Il fisico del NIST Shawn Geller ha spiegato che il raffreddamento e la preparazione hanno assicurato che gli atomi fossero il più identici possibile, rimuovendo qualsiasi etichetta, come stati interni individualizzati o stati di movimento, che potrebbero rendere un dato atomo diverso dagli altri.

Aaron Young, il primo autore ed ex studente laureato della JILA ha affermato: “Aggiungere un’ulteriore etichetta significa che l’universo può dire quale atomo è quale, anche se non puoi vedere l’etichetta come sperimentatore. La presenza di una tale etichetta cambierebbe questo problema da un problema di campionamento assurdamente difficile a uno completamente banale.”

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Campionamento dei bosoni: nuove prospettive per i calcolatori quantistici

Per lo stesso motivo per cui il campionamento dei bosoni è difficile da simulare, verificare direttamente che sia stato eseguito il processo corretto non è fattibile per gli esperimenti con 180 atomi. Per superare questo problema, i ricercatori hanno campionato i loro atomi su varie scale.

Secondo Young: “Facciamo test con due atomi, dove capiamo molto bene cosa sta succedendo. Quindi, su una scala intermedia in cui possiamo ancora simulare le cose, possiamo confrontare le nostre misurazioni con simulazioni che coinvolgono modelli di errore ragionevoli per il nostro esperimento. Su larga scala, possiamo variare continuamente la difficoltà del compito di campionamento controllando quanto sono distinguibili gli atomi e confermare che non sta andando storto”.

Geller ha aggiunto: “Quello che abbiamo fatto è stato sviluppare test che utilizzano la fisica che conosciamo per spiegare cosa pensiamo stia accadendo”.

Attraverso questo processo, i ricercatori sono stati in grado di confermare l’alta fedeltà della preparazione e dell’evoluzione dell’atomo rispetto alle precedenti dimostrazioni di campionamento dei bosoni. In particolare, la bassissima perdita di atomi rispetto ai fotoni durante la loro evoluzione preclude moderne tecniche computazionali che mettono in discussione le precedenti dimostrazioni di vantaggio quantistico.

La preparazione, l’evoluzione e il rilevamento programmabili e di alta qualità degli atomi in un reticolo dimostrati in questo lavoro possono essere applicati nella situazione in cui gli atomi interagiscono. Questo apre nuovi approcci alla simulazione e allo studio del comportamento di materiali quantistici reali, e altrimenti poco compresi.

Kaufman ha concluso: “L’utilizzo di particelle non interagenti ci ha permesso di portare questo problema specifico del campionamento dei bosoni a un nuovo regime. Tuttavia, molti dei problemi fisicamente più interessanti e computazionalmente impegnativi sorgono con sistemi composti da molte particelle interagenti. Andando avanti, prevediamo che l’applicazione di questi nuovi strumenti a tali sistemi aprirà la porta a molti esperimenti entusiasmanti”.

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