Misurato un sistema quantistico meccanico senza distruggerlo

C’è un aspetto chiave dell’informatica quantistica a cui potresti non aver pensato prima. Le “misure quantistiche non di demolizione“, si riferiscono all’osservazione di determinati stati quantistici senza distruggerli nel processo.

Se vogliamo costruire un computer quantistico funzionante, non farlo crollare ogni secondo mentre vengono eseguiti i calcoli sarebbe ovviamente utile. Ora, gli scienziati hanno descritto una nuova tecnica per la registrazione di misurazioni quantistiche di non demolizione molto promettente.

In questo caso, la ricerca ha coinvolto sistemi quantistici meccanici, oggetti relativamente grandi in termini di calcolo quantistico, ma estremamente piccoli per noi. Usano il movimento meccanico (come la vibrazione) per gestire la necessaria magia quantistica e il sistema è combinabile anche con altri sistemi quantistici.

“I nostri risultati aprono le porte all’esecuzione di algoritmi quantistici ancora più complessi utilizzando sistemi meccanici, come la correzione degli errori quantistici e le operazioni multimodali“, scrivono i ricercatori nel loro articolo.

Ai fini di questo studio, il team ha utilizzato una sottile striscia di zaffiro di alta qualità, spessa poco meno di mezzo millimetro. Un sottile trasduttore piezoelettrico è stato utilizzato per eccitare le onde acustiche, spostando unità di energia come i fotoni che, in teoria, possono essere sottoposti a processi di calcolo quantistico. Tecnicamente, questo dispositivo è noto come un risonatore acustico.

Questa è la prima parte della configurazione. Per eseguire la misurazione, il risonatore acustico è stato accoppiato a un qubit superconduttore, uno di quei blocchi di base per computer quantistici che possono contenere contemporaneamente sia un valore 1 che uno 0 e su cui aziende come Google e IBM hanno già costruito computer quantistici rudimentali.

Il dispositivo ibrido del team, con il chip risonatore acustico sopra il chip qubit superconduttore. (von Lüpke et al., Nat Phys, 2022)

Rendendo lo stato del qubit superconduttore dipendente dal numero di fotoni nel risonatore acustico, gli scienziati hanno potuto leggere quel numero di fotoni senza effettivamente interagire con essi o trasferire energia.

Lo descrivono come suonare un theremin, lo strano strumento musicale che non ha bisogno di essere toccato per produrre il suono.

Mettere insieme l’equivalente del calcolo quantistico non è stato un compito facile: gli stati quantistici hanno solitamente una vita molto breve e parte dell’innovazione in questa tecnica è stata il modo in cui si è riusciti a prolungare più a lungo questi stati. Il team lo ha fatto in parte attraverso la scelta dei materiali e in parte attraverso una cavità di alluminio superconduttore che per fornire una schermatura elettromagnetica.

In ulteriori esperimenti, sono riusciti a estrarre quella che è nota come la “misura di parità” del sistema quantistico meccanico.

La misura di parità è fondamentale per una varietà di tecnologie quantistiche, in particolare quando si tratta di correggere gli errori nei sistemi, e nessun computer può funzionare correttamente se commette regolarmente errori.

“Creando un’interfaccia tra risonatori meccanici con circuiti superconduttori, l’acustodinamica quantistica dei circuiti può rendere disponibili una varietà di strumenti importanti per manipolare e misurare gli stati quantistici in movimento“,  scrivono i ricercatori.

Tutto questo è di altissimo livello in termini di fisica quantistica, ma la linea di fondo è che questo è un importante passo avanti in una delle tecnologie che potrebbero eventualmente fornire una base per i futuri computer quantistici, in particolare in termini per la combinazione di diversi tipi di sistemi.

Un dispositivo ibrido qubit-risonatore come quello descritto in questo studio offre potenzialmente il meglio di due diversi campi di ricerca: le capacità computazionali dei qubit superconduttori e la stabilità dei sistemi meccanici. Ora gli scienziati hanno dimostrato che le informazioni possono essere estratte da un tale dispositivo in modo non distruttivo.

C’è ancora molto lavoro da fare – una volta che il compito di misurare gli stati è stato perfezionato e completato, questi stati devono essere sfruttati e manipolati per essere di reale utilità – ma potrebbe appena essere stato fatto un passo avanti per avvicinare l’enorme potenziale dei sistemi di calcolo quantistico.

“Qui dimostriamo le misurazioni dirette della distribuzione del numero fononico e della parità di stati meccanici non classici“, scrivono i ricercatori. “Queste misurazioni sono alcuni degli elementi costitutivi di base per la costruzione di memorie e processori quantistici acustici“.

La ricerca è stata pubblicata su Nature Physics.