atomi, fotoni, e altre particelle quantistiche sono spesso capricciose e pignoli per natura; molto raramente fermo, spesso si scontrano con altri della loro specie. Ma se tali particelle possono essere raggruppate e controllate individualmente in grandi numeri, possono essere imbrigliati come bit quantistici, o qubit:minuscole unità di informazione il cui stato o orientamento può essere utilizzato per eseguire calcoli a velocità notevolmente più elevate rispetto ai chip dei computer basati su semiconduttori di oggi.

Negli ultimi anni, gli scienziati hanno escogitato modi per isolare e manipolare singole particelle quantistiche. Ma tali tecniche sono state difficili da scalare, e la mancanza di un modo affidabile per manipolare un gran numero di atomi rimane un ostacolo significativo verso l'informatica quantistica.

Ora, scienziati di Harvard e del MIT hanno trovato un modo per aggirare questa sfida. In un articolo pubblicato oggi sulla rivista Scienza , i ricercatori riferiscono di un nuovo metodo che consente loro di utilizzare i laser come "pinzette" ottiche per prelevare singoli atomi da una nuvola e tenerli in posizione. Poiché gli atomi sono "intrappolati, " gli scienziati usano una fotocamera per creare immagini degli atomi e delle loro posizioni. Sulla base di queste immagini, quindi manipolano l'angolo dei raggi laser, per spostare singoli atomi in un numero qualsiasi di configurazioni diverse.

Il team ha finora creato array di 50 atomi e li ha manipolati in vari modelli privi di difetti, con controllo di un singolo atomo. Vladan Vuletic, uno degli autori dell'articolo e Lester Wolfe Professor of Physics al MIT, paragona il processo alla "costruzione di un piccolo cristallo di atomi, dal fondo, su."

"Abbiamo dimostrato una serie riconfigurabile di trappole per singoli atomi, dove possiamo preparare deterministicamente fino a 50 singoli atomi in trappole separate, per un uso futuro nell'elaborazione delle informazioni quantistiche, simulazioni quantistiche, o misurazioni di precisione, "dice Vuletic, che è anche membro del Research Laboratory of Electronics del MIT. "È come un Lego di atomi che costruisci, e puoi decidere dove vuoi che ogni blocco sia."

Gli altri autori senior del documento sono l'autore principale Manuel Endres e Markus Greiner e Mikhail Lukin dell'Università di Harvard.

Rimanere neutrali

Il team ha progettato la sua tecnica per manipolare atomi neutri, che non portano carica elettrica. La maggior parte degli altri esperimenti quantistici hanno coinvolto atomi carichi, o ioni, poiché la loro carica li rende più facilmente intrappolabili. Gli scienziati hanno anche dimostrato che gli ioni, a determinate condizioni, può essere fatto per eseguire porte quantistiche, operazioni logiche tra due bit quantistici, simile alle porte logiche nei circuiti classici. Però, a causa della loro natura carica, gli ioni si respingono e sono difficili da assemblare in array densi.

atomi neutri, d'altra parte, non avere problemi a stare nelle immediate vicinanze. Il principale ostacolo all'utilizzo di atomi neutri come qubit è stato che, a differenza degli ioni, sperimentano forze molto deboli e non si mantengono facilmente in posizione.

"Il trucco è intrappolarli, e in particolare, per intrappolarne molti, " Vuletic dice. "Le persone sono state in grado di intrappolare molti atomi neutri, ma non in un modo in cui potresti formare una struttura regolare con loro. E per l'informatica quantistica, devi essere in grado di spostare atomi specifici in posizioni specifiche, con controllo individuale".

Impostare la trappola

Per intrappolare singoli atomi neutri, i ricercatori hanno utilizzato per la prima volta un laser per raffreddare una nuvola di atomi di rubidio a ultrafreddo, temperature prossime allo zero assoluto, rallentando gli atomi dal loro solito, traiettorie ad alta velocità. Hanno quindi diretto un secondo raggio laser attraverso uno strumento che divide il raggio laser in molti raggi più piccoli, il cui numero e angolo dipendono dalla radiofrequenza applicata al deflettore.

I ricercatori hanno focalizzato i raggi laser più piccoli attraverso la nuvola di atomi ultrafreddi e hanno scoperto che il fuoco di ciascun raggio, il punto in cui l'intensità del raggio era più alta, attraeva un singolo atomo, essenzialmente raccogliendolo dal cloud e tenendolo in posizione.

"È come caricare un pettine sfregandolo contro qualcosa di lana, e usandolo per raccogliere piccoli pezzi di carta, " Dice Vuletic. "È un processo simile con gli atomi, che sono attratti da regioni ad alta intensità del campo luminoso."

Mentre gli atomi sono intrappolati, emettono luce, che gli scienziati hanno catturato utilizzando una fotocamera con dispositivo ad accoppiamento di carica. Guardando le loro immagini, i ricercatori sono stati in grado di discernere quali raggi laser, o pinzette, contenevano atomi e quali no. Potrebbero quindi cambiare la radiofrequenza di ogni raggio per "spegnere" le pinzette senza atomi, e riorganizzare quelli con atomi, per creare array privi di difetti. Il team alla fine ha creato array di 50 atomi che sono stati tenuti in posizione per diversi secondi.

"La domanda è sempre, quante operazioni quantistiche puoi eseguire in questo lasso di tempo?" dice Vuletic. "La tipica scala temporale per gli atomi neutri è di circa 10 microsecondi, quindi potresti fare circa 100, 000 operazioni in un secondo. Pensiamo che per ora questa vita vada bene".

Ora, il team sta studiando se possono incoraggiare gli atomi neutri a eseguire porte quantistiche, l'elaborazione di base delle informazioni tra due qubit. Mentre altri lo hanno dimostrato tra due atomi neutri, non sono stati in grado di mantenere porte quantistiche in sistemi che coinvolgono un gran numero di atomi. Se Vuletic e i suoi colleghi possono indurre con successo porte quantistiche nei loro sistemi di 50 o più atomi, avranno compiuto un passo significativo verso la realizzazione del calcolo quantistico.

"La gente vorrebbe anche fare altri esperimenti oltre all'informatica quantistica, come simulare la fisica della materia condensata, con un numero predeterminato di atomi, e ora con questa tecnica dovrebbe essere possibile, " Dice Vuletic. "È molto eccitante."