I ricercatori hanno compiuto un passo importante verso l'obiettivo a lungo cercato di un computer quantistico, che in teoria dovrebbe essere in grado di eseguire calcoli molto più veloci rispetto ai computer convenzionali, per determinati tipi di problemi. Il nuovo lavoro mostra che le collezioni di molecole ultrafredde possono trattenere le informazioni in esse immagazzinate, centinaia di volte più a lungo di quanto i ricercatori abbiano precedentemente realizzato in questi materiali.

Queste molecole a due atomi sono fatte di sodio e potassio e sono state raffreddate a temperature di pochi decimilionesimi di grado sopra lo zero assoluto (misurate in centinaia di nanokelvin, o nK). I risultati sono descritti in un rapporto di questa settimana in Scienza , di Martin Zwierlein, un professore di fisica del MIT; Jee Woo Park, un ex studente laureato del MIT; Sebastiano, un ex ricercatore al MIT e ora assistente professore alla Columbia University, e altri due, tutto al MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms.

Sono allo studio molti approcci diversi come possibili modi per creare qubit, gli elementi costitutivi di base dei computer quantistici a lungo teorizzati ma non ancora completamente realizzati. I ricercatori hanno provato a utilizzare materiali superconduttori, ioni trattenuti in trappole ioniche, o singoli atomi neutri, così come molecole di varia complessità. Il nuovo approccio utilizza un cluster di molecole molto semplici composte da soli due atomi.

"Le molecole hanno più "maniglie" degli atomi, "Zwierlein dice, il che significa più modi per interagire tra loro e con influenze esterne. "Possono vibrare, possono ruotare, ed infatti possono interagire fortemente tra loro, cosa che gli atomi hanno difficoltà a fare. Tipicamente, gli atomi devono davvero incontrarsi, essere uno sopra l'altro quasi, prima che vedano che c'è un altro atomo con cui interagire, considerando che le molecole possono vedersi" su distanze relativamente lunghe. "Per fare in modo che questi qubit parlino tra loro ed eseguano calcoli, usare le molecole è un'idea molto migliore che usare gli atomi, " lui dice.

L'uso di questo tipo di molecole a due atomi per l'elaborazione dell'informazione quantistica "era stato suggerito qualche tempo fa, "dice Parco, "e questo lavoro dimostra il primo passo sperimentale verso la realizzazione di questa nuova piattaforma, che è che le informazioni quantistiche possono essere immagazzinate in molecole dipolari per tempi estesi."

"La cosa più sorprendente è che [queste] molecole sono un sistema che può consentire di realizzare sia l'archiviazione che l'elaborazione di informazioni quantistiche, utilizzando lo stesso sistema fisico, " Dice Will. "Questa è in realtà una caratteristica piuttosto rara che non è affatto tipica tra i sistemi qubit che sono per lo più considerati oggi".

Nei primi test di laboratorio di prova del principio del team, poche migliaia di semplici molecole erano contenute in un microscopico soffio di gas, intrappolato all'intersezione di due raggi laser e raffreddato a temperature ultrafredde di circa 300 nanokelvin. "Più atomi hai in una molecola, più difficile diventa raffreddarli, "Zwierlein dice, quindi hanno scelto questa semplice struttura a due atomi.

Le molecole hanno tre caratteristiche chiave:rotazione, vibrazione, e la direzione di spin dei nuclei dei due singoli atomi. Per questi esperimenti, i ricercatori hanno tenuto le molecole sotto perfetto controllo in termini di tutte e tre le caratteristiche, ovvero, nel più basso stato di vibrazione, rotazione, e allineamento dello spin nucleare.

"Siamo stati in grado di intrappolare molecole per molto tempo, e dimostrare anche che possono trasportare informazioni quantistiche e trattenerle a lungo, " dice Zwierlein. E questo, lui dice, è "una delle scoperte chiave o delle pietre miliari che bisogna avere prima di sperare di costruire un computer quantistico, che è un'impresa molto più complicata."

L'uso di molecole di sodio-potassio offre una serie di vantaggi, dice Zwierlein. Per una cosa, "la molecola è chimicamente stabile, quindi se una di queste molecole ne incontra un'altra non si rompono".

Nel contesto dell'informatica quantistica, il "lungo tempo" a cui si riferisce Zwierlein è un secondo, che è "in effetti dell'ordine di mille volte più lungo di un esperimento comparabile che è stato fatto" usando la rotazione per codificare il qubit, lui dice. "Senza ulteriori misure, quell'esperimento ha dato un millisecondo, ma questo era già fantastico." Con il metodo di questa squadra, la stabilità intrinseca del sistema significa "ottieni un secondo intero gratis".

Ciò suggerisce, anche se resta da dimostrare, che un tale sistema sarebbe in grado di eseguire migliaia di calcoli quantistici, noto come porte, in sequenza entro quel secondo di coerenza. I risultati finali potrebbero quindi essere "letti" otticamente attraverso un microscopio, rivelando lo stato finale delle molecole.

"Abbiamo forti speranze di poter fare un cosiddetto gate:è un'operazione tra due di questi qubit, come addizione, sottrazione, o quel tipo di equivalente, in una frazione di millisecondo, " dice Zwierlein. "Se guardi il rapporto, potresti sperare di farne 10, da 000 a 100, 000 operazioni di gate nel tempo che abbiamo la coerenza nel campione. Questo è stato indicato come uno dei requisiti per un computer quantistico, avere quel tipo di rapporto tra operazioni di gate e tempi di coerenza."

"Il prossimo grande obiettivo sarà quello di 'parlare' con le singole molecole. Allora stiamo davvero parlando di informazioni quantistiche, " dice Will. "Se riusciamo a intrappolare una molecola, possiamo intrappolarne due. E poi possiamo pensare di implementare una "operazione di porta quantistica" - un calcolo elementare - tra due qubit molecolari che si trovano uno accanto all'altro, " lui dice.

Usando un array di forse 1, 000 tali molecole, Zwierlein dice, renderebbe possibile eseguire calcoli così complessi che nessun computer esistente potrebbe nemmeno iniziare a verificarne le possibilità. Sebbene sottolinei che questo è ancora un primo passo e che tali computer potrebbero essere lontani un decennio o più, in linea di principio un tale dispositivo potrebbe risolvere rapidamente problemi attualmente intrattabili come il factoring di numeri molto grandi, un processo la cui difficoltà costituisce la base dei migliori sistemi di crittografia odierni per le transazioni finanziarie.

Oltre all'informatica quantistica, il nuovo sistema offre anche il potenziale per un nuovo modo di eseguire misurazioni di precisione e chimica quantistica, dice Zwierlein.