Computer quantistici: il MIT scopre nuovi qubit utilizzando atomi vibranti

I fisici del MIT hanno scoperto un nuovo bit quantistico, o “qubit “, sotto forma di coppie di atomi vibranti noti come fermioni. Hanno scoperto che quando coppie di fermioni vengono raffreddate e intrappolate in un reticolo ottico, le particelle possono esistere contemporaneamente in due stati, uno strano fenomeno quantistico noto come sovrapposizione. In questo caso, gli atomi avevano una sovrapposizione di due stati vibrazionali, in cui la coppia oscillava l’una contro l’altra mentre oscillava anche in sincronia, allo stesso tempo.

Tali qubit potrebbero essere una base promettente per i futuri computer quantistici

Il team è stato in grado di mantenere questo stato di sovrapposizione tra centinaia di coppie vibranti di fermioni. In tal modo, hanno ottenuto un nuovo “registro quantistico”, o sistema di qubit, che sembra essere robusto per periodi di tempo relativamente lunghi.

La scoperta, pubblicata sulla rivista Nature, dimostra che tali qubit traballanti potrebbero essere una base promettente per i futuri computer quantistici.

Un qubit rappresenta un’unità di base del calcolo quantistico. Laddove un bit classico nei computer di oggi esegue una serie di operazioni logiche a partire da uno dei due stati, 0 o 1, un qubit può esistere in una sovrapposizione di entrambi gli stati. Mentre si trova in questo delicato stato intermedio, un qubit dovrebbe essere in grado di comunicare contemporaneamente con molti altri qubit ed elaborare più flussi di informazioni alla volta, per risolvere rapidamente problemi che richiederebbero anni ai computer classici per essere elaborati.

Esistono molti tipi di qubit, alcuni dei quali sono ingegnerizzati e altri che esistono naturalmente. La maggior parte dei qubit è notoriamente volubile, incapace di mantenere la sovrapposizione o riluttante a comunicare con altri qubit.

In confronto, il nuovo qubit del team del MIT sembra essere estremamente robusto, in grado di mantenere una sovrapposizione tra due stati vibrazionali, anche in mezzo al rumore ambientale, per un massimo di 10 secondi. Il team ritiene che i nuovi qubit vibranti potrebbero essere fatti interagire brevemente e potrebbero potenzialmente eseguire decine di migliaia di operazioni in un batter d’occhio.

“Stimiamo che dovrebbe impiegare solo un millisecondo per l’interazione di questi qubit, quindi possiamo sperare in 10.000 operazioni durante quel periodo di coerenza, che potrebbe essere competitivo con altre piattaforme”, ha affermato Martin Zwierlein, Professore di fisica al MIT. 

Zwierlein è uno dei coautori dell’articolo, insieme all’autore principale Thomas Hartke, Botond Oreg e Ningyuan Jia, che sono tutti membri del Laboratorio di ricerca di elettronica del MIT.

Felici incidenti

La scoperta della squadra inizialmente è avvenuta per caso. Il gruppo di Zwierlein studia il comportamento degli atomi a densità ultrafredde e bassissime. Quando gli atomi vengono raffreddati a temperature un milionesimo di quella dello spazio interstellare e isolati a densità un milionesimo di quella dell’aria, possono emergere fenomeni quantistici e nuovi stati della materia.

In queste condizioni estreme, Zwierlein e i suoi colleghi stavano studiando il comportamento dei fermioni. Un fermione è tecnicamente definito come qualsiasi particella che ha uno spin semiintero dispari, come neutroni, protoni ed elettroni. In termini pratici, questo significa che i fermioni sono spinosi per natura. Non ci sono due fermioni identici che possono occupare lo stesso stato quantistico, una proprietà nota come principio di esclusione di Pauli. Ad esempio, se un fermione si avvia, l’altro deve ruotare verso il basso.

Gli elettroni sono esempi classici di fermioni e la loro mutua esclusione di Pauli è responsabile della struttura degli atomi e della diversità della tavola periodica degli elementi, insieme alla stabilità di tutta la materia nell’universo. I fermioni sono anche qualsiasi tipo di atomo con un numero dispari di particelle elementari, poiché anche questi atomi si respingono naturalmente l’un l’altro.

Il team di Zwierlein stava studiando atomi fermionici di potassio-40. Hanno raffreddato una nuvola di fermioni fino a 100 nanokelvin e hanno utilizzato un sistema di laser per generare un reticolo ottico in cui intrappolare gli atomi. Hanno sintonizzato le condizioni in modo che ogni pozzetto nel reticolo intrappolasse una coppia di fermioni. Inizialmente, hanno osservato che in determinate condizioni, ogni coppia di fermioni sembrava muoversi in sincronia, come una singola molecola.

Per sondare ulteriormente questo stato vibrazionale, hanno dato un calcio a ciascuna coppia di fermioni, quindi hanno acquisito immagini di fluorescenza degli atomi nel reticolo e hanno visto che ogni tanto la maggior parte dei quadrati nel reticolo diventava scura, riflettendo le coppie legate in una molecola. Ma mentre continuavano a immaginare il sistema, gli atomi sembravano riapparire, in modo periodico, indicando che le coppie stavano oscillando tra due stati vibrazionali quantistici.

“Spesso è nella fisica sperimentale che hai un segnale luminoso”, ha detto Zwierlein. “Qui, è diventato scuro, ma poi di nuovo luminoso, e si è ripetuto. Tale oscillazione mostra che c’è una sovrapposizione coerente che si evolve nel tempo”.

“Un ronzio basso”

Dopo ulteriori immagini e calcoli, i fisici hanno confermato che le coppie di fermioni tenevano una sovrapposizione di due stati vibrazionali, che si muovevano simultaneamente insieme, come due pendoli che oscillano in sincronia, e anche l’uno rispetto all’altro o l’uno contro l’altro.

“Oscillano tra questi due stati a circa 144 hertz”, ha osservato Hartke. “Questa è una frequenza che puoi sentire, come un ronzio basso.”

Il team è stato in grado di sintonizzare questa frequenza e controllare gli stati vibrazionali delle coppie di fermioni, di tre ordini di grandezza, applicando e variando un campo magnetico, attraverso un effetto noto come risonanza di Feshbach.

“È come iniziare con due penduli non interagenti e, applicando un campo magnetico, creiamo una molla tra di loro e possiamo variare la forza di quella molla, spingendo lentamente la pendula a parte”, ha detto Zwierlein.

In questo modo, sono stati in grado di manipolare simultaneamente circa 400 coppie di fermioni. Hanno osservato che come gruppo, i qubit mantenevano uno stato di sovrapposizione per un massimo di 10 secondi, prima che le singole coppie collassassero nell’uno o nell’altro stato vibrazionale.

“Dimostriamo di avere il pieno controllo sugli stati di questi qubit”, ha affermato Zwierlein.

Per realizzare un computer quantistico funzionale utilizzando qubit vibranti, il team dovrà trovare il modo di controllare anche le singole coppie di fermioni, un problema che i fisici sono già vicini a risolvere. La sfida più grande sarà trovare un modo per i singoli qubit di comunicare tra loro. Per questo, Zwierlein ha alcune idee.

“Questo è un sistema in cui sappiamo che possiamo far interagire due qubit”, ha affermato. “Ci sono modi per abbassare la barriera tra le coppie, in modo che si uniscano, interagiscano e poi si dividano di nuovo, per circa un millisecondo. Quindi, c’è un percorso chiaro verso una porta a due qubit, che è ciò di cui avresti bisogno per creare un computer quantistico”.