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Una strana nuova fase della materia che sembra occupare 2 dimensioni temporali

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Una nuova fase della materia è stata osservata in un computer quantistico dopo che i fisici hanno pulsato luce sui suoi qubit secondo uno schema ispirato alla sequenza di Fibonacci. Questa strana stranezza della meccanica quantistica si comporta come se avesse due dimensioni temporali, invece di una; un tratto che secondo gli scienziati rende i qubit più robusti, in grado di rimanere stabili per l’intera durata dell’esperimento.

Questa stabilità è chiamata coerenza quantistica ed è uno degli obiettivi principali per ottenere un computer quantistico privo di errori e uno dei più difficili da raggiungere. Il lavoro rappresenta “un modo completamente diverso di pensare alle fasi della materia“, secondo il fisico quantistico Philipp Dumitrescu del Flatiron Institute, autore principale di un nuovo articolo che descrive il fenomeno. “Lavoro su queste idee teoriche da oltre cinque anni e vederle realizzarsi negli esperimenti è emozionante“.

Il calcolo quantistico si basa sui qubit, l’equivalente quantistico dei bit di calcolo. Tuttavia, laddove i bit elaborano le informazioni in uno dei due stati, 1 o 0, i qubit possono avere uno, l’altro o entrambi gli stati contemporaneamente, uno stato noto come sovrapposizione quantistica.

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La natura matematica di tale sovrapposizione può essere incredibilmente potente da un punto di vista computazionale, rendendo breve il lavoro di risoluzione dei problemi nelle giuste circostanze.

Ma la natura sfocata e instabile di una serie di qubit dipende anche da come i loro stati indecisi si relazionano tra loro: una relazione chiamata entanglement.

In modo frustrante, qualunque cosa può interferire con i qubit, introducendo errori. Più delicato è lo stato sfocato di un qubit (o più caos c’è nel suo ambiente), maggiore è il rischio che perda questa coerenza.

Migliorare la coerenza fino al punto della fattibilità è probabilmente un approccio multitattico per eliminare un ostacolo significativo che si frappone sulla strada di un computer quantistico funzionale: ogni piccola parte fa la differenza.

Anche se tieni tutti gli atomi sotto stretto controllo, possono perdere la loro quanticità parlando con il loro ambiente, riscaldandosi o interagendo con le cose in modi che non avevi pianificato“, ha spiegato Dumitrescu. “In pratica, i dispositivi sperimentali hanno molte fonti di errore che possono degradare la coerenza dopo pochi impulsi laser“.

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L’imposizione di una simmetria può essere un mezzo per proteggere i qubit dalla decoerenza. Ruota un semplice quadrato di novanta gradi e ha ancora effettivamente la stessa forma. Questa simmetria lo protegge da determinati effetti di rotazione.

Toccando i qubit con impulsi laser equidistanti si assicura una simmetria basata non sullo spazio, ma sul tempo. Dumitrescu e i suoi colleghi volevano sapere se potevano aumentare questo effetto aggiungendo, non la periodicità simmetrica, ma la quasiperiodicità asimmetrica.

Questo, era la loro ipotesi, aggiungerebbe non una simmetria temporale, ma due; una efficacemente sepolta dentro l’altra.

L’idea si basava sul lavoro precedente del team che proponeva la creazione di qualcosa chiamato quasi-cristallo nel tempo. Laddove un cristallo è costituito da un reticolo simmetrico di atomi che si ripete nello spazio, come una palestra nella giungla a griglia quadrata o un nido d’ape, il modello di atomi su un quasicristallo non si ripete, come una piastrellatura di Penrose, ma è ancora ordinato.

Il team ha condotto il suo esperimento su un computer quantistico commerciale all’avanguardia progettato da Quantinuum, una società di informatica quantistica. Questa bestia impiega per i suoi qubit 10 atomi di itterbio (uno degli elementi scelti per gli orologi atomici). Questi atomi sono tenuti in una trappola ionica elettrica, dalla quale è possibile utilizzare impulsi laser per controllarli o misurarli.

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Dumitrescu e colleghi hanno creato una sequenza di impulsi laser basata sui numeri di Fibonacci, in cui ogni segmento è la somma dei due segmenti precedenti. Ciò si traduce in una sequenza ordinata, ma non ripetuta, proprio come un quasicristallo.

I quasicristalli possono essere descritti matematicamente come segmenti di dimensioni inferiori di reticoli di dimensioni superiori. Una piastrellatura di Penrose può essere descritta come una fetta bidimensionale di un ipercubo a cinque dimensioni .

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Allo stesso modo, gli impulsi laser del team possono essere descritti come una rappresentazione unidimensionale di un modello bidimensionale. In teoria, ciò significava che può potenzialmente imporre due simmetrie temporali sui qubit.

Il team ha testato il proprio lavoro facendo lampeggiare i laser sull’array di qubit di itterbio, prima in una sequenza simmetrica, poi quasi periodica. Hanno quindi misurato la coerenza dei due qubit su entrambe le estremità della trappola.

Per la sequenza periodica, i qubit sono rimasti stabili per 1,5 secondi. Per la sequenza quasiperiodica, sono rimasti stabili per 5,5 secondi, la durata dell’esperimento.

La simmetria temporale aggiuntiva, hanno affermato i ricercatori, ha aggiunto un altro livello di protezione contro la decoerenza quantistica.

Con questa sequenza quasi periodica, c’è un’evoluzione complicata che cancella tutti gli errori che vivono al limite“, ha detto Dumitrescu.”Per questo motivo, il bordo rimane meccanicamente coerente molto, molto più a lungo di quanto ti aspetteresti“.

Il lavoro non è vicino all’essere pronto per l’integrazione in computer quantistici funzionali, ma rappresenta un passo importante verso tale obiettivo, hanno affermato i ricercatori.

La ricerca è stata pubblicata su Nature.

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