Un gruppo di scienziati guidati da Johannes Fink dell'Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) ha riportato la prima osservazione sperimentale di una transizione di fase del primo ordine in un sistema quantistico dissipativo. Le transizioni di fase includono fenomeni come il congelamento dell'acqua alla temperatura critica di 0 gradi Celsius. Però, le transizioni di fase si verificano anche a livello della meccanica quantistica, dove sono ancora relativamente inesplorati dai ricercatori.

Un esempio di transizione di fase a livello quantistico è la rottura del blocco di fotoni, che è stato scoperto solo due anni fa. Durante il blocco dei fotoni, un fotone riempie una cavità in un sistema ottico e impedisce ad altri fotoni di entrare nella stessa cavità finché non ne esce, quindi bloccando il flusso di fotoni. Ma se il flusso di fotoni aumenta fino a un livello critico, è prevista una transizione di fase quantistica:il blocco di fotoni si rompe, e lo stato del sistema cambia da opaco a trasparente. Questa specifica transizione di fase è stata ora osservata sperimentalmente da ricercatori che, per la prima volta, ha soddisfatto le condizioni molto specifiche necessarie per studiare questo effetto.

Durante una transizione di fase, la regolazione continua di un parametro esterno, ad esempio temperatura, porta a una transizione tra due stati stazionari robusti con attributi diversi. Le transizioni di fase del primo ordine sono caratterizzate dalla coesistenza delle due fasi stabili quando il parametro di controllo si trova all'interno di un certo intervallo vicino al valore critico. Le due fasi formano una fase mista in cui alcune parti hanno completato la transizione e altre no, come in un bicchiere contenente acqua ghiacciata. I risultati sperimentali che Fink e i suoi collaboratori pubblicheranno sulla rivista Revisione fisica X dare un'idea delle basi quantomeccaniche di questo effetto in un microscopico, sistema a dimensione zero.

La loro configurazione consisteva in un microchip con un risonatore a microonde superconduttore che fungeva da cavità e alcuni qubit superconduttori che fungevano da atomi. Il chip è stato raffreddato a una temperatura sorprendentemente vicina allo zero assoluto, 0,01 Kelvin, in modo che le fluttuazioni termiche non abbiano avuto un ruolo. Per produrre un flusso di fotoni, i ricercatori hanno quindi inviato un tono a microonde continuo all'ingresso del risonatore sul chip. Dal lato dell'uscita, hanno amplificato e misurato il flusso di microonde trasmesso. Per determinate potenze in ingresso, hanno rilevato un segnale che oscilla stocasticamente tra la trasmissione zero e la trasmissione completa, provando che si era verificata la prevista coesistenza di entrambe le fasi. "Abbiamo osservato per la prima volta questo passaggio casuale tra opaco e trasparente e in accordo con le previsioni teoriche, ", afferma l'autore principale Johannes Fink di IST Austria.

Le potenziali applicazioni future includono elementi di archiviazione di memoria e processori per la simulazione quantistica. "Il nostro esperimento ha richiesto esattamente 1,6 millisecondi per essere completato per una data potenza in ingresso. La corrispondente simulazione numerica ha richiesto un paio di giorni su un cluster di supercomputer nazionale. Questo dà un'idea del perché questi sistemi potrebbero essere utili per le simulazioni quantistiche, "Spiega Fink.

Johannes Fink è arrivato a IST Austria nel 2016 per avviare il suo gruppo di lavoro sui dispositivi Quantum Integrated. L'obiettivo principale del suo gruppo è quello di far progredire e integrare la tecnologia quantistica per il calcolo basato su chip, comunicazione, e percependo.