Studiando le prestazioni degli annealer quantistici quando azionati più velocemente del necessario, hanno scoperto un effetto che potrebbe spiegare lo squilibrio materia / antimateria nell'universo e un nuovo metodo per la separazione degli isotopi
Lo squilibrio materia / antimateria oggi può essere studiato grazie alla scoperta inaspettata di un fenomeno quantistico.
I computer di ricottura quantistica, per funzionare correttamente, devono operare a un ritmo relativamente lento. Un team di teorici quantistici operando sul problema della ricottura quantistica, o Quantum annealing, hanno scoperto qualcosa di inaspettato.
Studiando le prestazioni degli annealer quantistici quando azionati più velocemente del necessario, hanno scoperto un effetto che potrebbe spiegare lo squilibrio materia / antimateria nell’universo e un nuovo metodo per la separazione degli isotopi.
La scoperta, ha spiegato Nikolai Sinitsyn, fisico teorico del Los Alamos National Laboratory, non ha risolto la restrizione del tempo di ricottura, ma ha condotto a una classe di nuovi problemi fisici che possono essere studiati con i metodo del Quantum annealing senza che siano troppo lenti.
Sinitsyn è l’autore dell’articolo pubblicato il 19 febbraio su Physical Review Letters, in collaborazione con i coautori Bin Yan e Wojciech Zurek, entrambi del Los Alamos, e Vladimir Chernyak della Wayne State University.
Questa scoperta suggerisce come due importanti problemi scientifici potrebbero essere risolti. Il primo è lo squilibrio materia / antimateria che si registra nell’universo. Secondo Sinitsyn, piccole modifiche agli esperimenti con la ricottura quantistica di qubit interagenti composti da atomi ultra freddi. le transizioni di fase saranno sufficienti per dimostrare l’ effetto.
La materia e l’antimateria derivano dalle eccitazioni energetiche che sono state prodotte dal Big Bang. In seguito, la simmetria nella loro annichilazione è venuta meno a favore della materia che ha prevalso. Non è chiaro cosa abbia portato al dominio della materia rispetto all’antimateria.
L’effetto appena scoperto dimostra che lo squilibrio materia / antimateria è fisicamente possibile.
Accade quando un grande sistema quantistico passa attraverso una transizione di fase. In tali circostanze, le interazioni forti ma simmetriche si compensano approssimativamente a vicenda. Quindi differenze sottili e persistenti possono svolgere un ruolo decisivo.
I computer a ricottura quantistica sono costruiti per risolvere problemi complessi associando i qubit. A differenza dei bit di un computer classico, che possono essere solo 0 o 1, i qubit possono trovarsi in una sovrapposizione quantistica di valori intermedi. È qui che i computer quantistici traggono la loro potenza ancora, però, non sfruttata del tutto.
In un computer a ricottura quantistica, i qubit vengono inizialmente preparati in un semplice stato di energia più bassa applicando un forte campo magnetico esterno. Il campo viene quindi disattivato lentamente, mentre le interazioni tra i qubit vengono attivate lentamente.
Tuttavia, i quantum annealer oggi disponibili, come tutti i computer quantistici, sono ostacolati dalle interazioni dei qubit con l’ambiente, il che ne causa la decoerenza.
Queste interazioni limitano il comportamento puramente quantistico dei qubit a circa un milionesimo di secondo. In quel lasso di tempo, i calcoli devono essere veloci – non adiabatici – e le eccitazioni energetiche indesiderate alterano lo stato quantistico, introducendo inevitabili errori di calcolo.
La teoria di Kibble-Zurek, co-sviluppata da Wojciech Zurek, prevede che la maggior parte degli errori si verifica quando i qubit incontrano una transizione di fase.
Il team ha studiato un modello risolvibile noto in cui qubit identici interagiscono solo con i loro vicini; il modello verifica analiticamente la teoria di Kibble-Zurek. Nella ricerca dei teorici per curare il tempo di funzionamento limitato nei computer di ricottura quantistica, hanno aumentato la complessità di quel modello supponendo che i qubit potessero essere suddivisi in due gruppi con interazioni identiche all’interno di ciascun gruppo ma interazioni leggermente diverse per qubit dai diversi gruppi.
In questa miscela, hanno scoperto un effetto particolare: un gruppo produceva una grande quantità di eccitazioni energetiche durante il passaggio attraverso una transizione di fase, ma l’altro gruppo è rimasto nel minimo energetico come se il sistema non avesse sperimentato affatto una transizione di fase.
“Il modello che abbiamo utilizzato è altamente simmetrico per essere risolvibile, e abbiamo trovato un modo per estendere il modello, rompendo questa simmetria e risolvendola”, ha spiegato Sinitsyn. “Poi abbiamo scoperto che la teoria di Kibble-Zurek è sopravvissuta, ma con una svolta: metà dei qubit non ha dissipato energia e si è comportata” bene “. In altre parole, hanno mantenuto i loro stati fondamentali “.
Sfortunatamente, l’altra metà dei qubit ha prodotto molti errori di calcolo, quindi, finora, nessuna cura per il passaggio attraverso una transizione di fase nei computer di ricottura quantistica.
Un altro problema irrisolto che può beneficiare di questo effetto è la separazione degli isotopi. L’uranio ad esempio spesso deve essere separato, quindi l’uranio arricchito può essere utilizzato per l’energia nucleare o per altri scopi.
L’attuale processo di separazione è molto costoso.
L’effetto scoperto significa che facendo passare dinamicamente una miscela di atomi ultra freddi interagenti attraverso una transizione di fase quantistica, gli isotopi possono essere eccitati o meno selettivamente e quindi separati utilizzando la tecnica di deflessione magnetica.
