Gli ioni di itterbio intrappolati sono stati utilizzati come uno dei sistemi quantistici di laboratorio più avanzati per questo studio. I laboratori di ricerca del professor Biercuk si trovano ora nel Sydney Nanoscience Hub, dopo sei anni come visiting scientist presso il National Measurement Institute. Credito:Università di Sydney.
Scienziati dell'Università di Sydney hanno dimostrato la capacità di "vedere" il futuro dei sistemi quantistici, e usarono quella conoscenza per prevenire la loro scomparsa, in un importante risultato che potrebbe aiutare ad avvicinare alla realtà lo strano e potente mondo della tecnologia quantistica.
Le applicazioni delle tecnologie quantistiche sono avvincenti e stanno già dimostrando impatti significativi, specialmente nel campo del rilevamento e della metrologia. E il potenziale per costruire computer quantistici eccezionalmente potenti usando bit quantistici, o qubit, sta guidando gli investimenti delle più grandi aziende del mondo.
Tuttavia un ostacolo significativo alla costruzione di tecnologie quantistiche affidabili è stata la randomizzazione dei sistemi quantistici dai loro ambienti, o decoerenza, che distrugge efficacemente il carattere quantistico utile.
I fisici hanno fatto un salto di qualità tecnico nell'affrontare questo problema, utilizzando tecniche di big data per prevedere come cambieranno i sistemi quantistici e quindi prevenire il verificarsi del guasto del sistema.
La ricerca è pubblicata oggi in Comunicazioni sulla natura .
"Proprio come i singoli componenti dei telefoni cellulari finiranno per guastarsi, così anche i sistemi quantistici, ", ha affermato l'autore senior del documento, il professor Michael J. Biercuk.
"Ma nella tecnologia quantistica la vita è generalmente misurata in frazioni di secondo, piuttosto che anni».
Professor Biercuk, della School of Physics dell'Università di Sydney e capo ricercatore presso il Centre for Engineered Quantum Systems dell'Australian Research Council, ha detto che il suo gruppo ha dimostrato che è possibile sopprimere la decoerenza in modo preventivo. La chiave era sviluppare una tecnica per prevedere come il sistema si sarebbe disintegrato.
Il professor Biercuk ha evidenziato le sfide nel fare previsioni in un mondo quantistico:"Gli esseri umani utilizzano abitualmente tecniche predittive nella nostra esperienza quotidiana; per esempio, quando giochiamo a tennis prevediamo dove andrà a finire la pallina in base alle osservazioni della pallina in volo, " Egli ha detto.
Professore di fisica quantistica e tecnologia quantistica all'Università di Sydney Michael Biercuk. Credito:Università di Sydney
"Funziona perché le regole che governano il movimento della palla, come la gravità, sono regolari e conosciuti. Ma cosa succede se le regole sono cambiate in modo casuale mentre la palla stava arrivando? In tal caso è quasi impossibile prevedere il comportamento futuro di quella palla.
"Eppure questa situazione è esattamente quella con cui abbiamo dovuto affrontare perché la disintegrazione dei sistemi quantistici è casuale. Inoltre, nel regno quantistico l'osservazione cancella la quantistica, quindi il nostro team doveva essere in grado di indovinare come e quando il sistema si sarebbe rotto in modo casuale.
"Avevamo effettivamente bisogno di oscillare la pallina da tennis che si muoveva casualmente mentre era bendato".
Il team si è rivolto all'apprendimento automatico per ottenere aiuto nel mantenere i loro sistemi quantistici - qubit realizzati in atomi intrappolati - dalla rottura.
Quello che potrebbe sembrare un comportamento casuale in realtà conteneva informazioni sufficienti per consentire a un programma per computer di indovinare come il sistema sarebbe cambiato in futuro. Potrebbe quindi predire il futuro senza osservazione diretta, che altrimenti cancellerebbe le caratteristiche utili del sistema.
Le previsioni erano straordinariamente accurate, consentendo al team di utilizzare preventivamente le proprie ipotesi per compensare i cambiamenti previsti.
Farlo in tempo reale ha permesso al team di prevenire la disintegrazione del carattere quantistico, allungando la vita utile dei qubit.
"Sappiamo che la costruzione di vere tecnologie quantistiche richiederà importanti progressi nella nostra capacità di controllare e stabilizzare i qubit, per renderli utili nelle applicazioni, "Ha detto il professor Biercuk.
Le nostre tecniche si applicano a qualsiasi qubit, costruito in qualsiasi tecnologia, compresi gli speciali circuiti superconduttori utilizzati dalle grandi aziende.
"Siamo entusiasti di sviluppare nuove capacità che trasformano i sistemi quantistici da novità in tecnologie utili. Il futuro quantistico sembra sempre migliore, "Ha detto il professor Biercuk.
