I fisici del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno escogitato un modo per collegare tra loro le proprietà quantistiche di un gruppo di atomi molto più rapidamente di quanto sia attualmente possibile, potenzialmente fornendo uno strumento per applicazioni informatiche quantistiche e di rilevamento ad alta precisione. Il NIST ha richiesto un brevetto sul metodo, che è dettagliato in un nuovo documento in Lettere di revisione fisica .

Il metodo, che non è stato ancora dimostrato sperimentalmente, essenzialmente accelererebbe il processo di entanglement quantistico in cui le proprietà di più particelle diventano interconnesse tra loro. L'entanglement si propagherebbe attraverso un gruppo di atomi in un tempo notevolmente inferiore, permettendo agli scienziati di costruire un sistema entangled esponenzialmente più velocemente di quanto sia comune oggi.

Schiere di atomi aggrovigliati sospesi in fasci di luce laser, noti come reticoli ottici, sono un approccio alla creazione dei centri logici di prototipi di computer quantistici, ma uno stato entangled è difficile da mantenere più che brevemente. L'applicazione del metodo a questi array potrebbe dare agli scienziati tempo prezioso per fare di più con questi array di atomi prima che l'entanglement venga perso in un processo noto come decoerenza.

Il metodo sfrutta una relazione fisica tra gli atomi chiamata interazione dipolare, che consente agli atomi di influenzarsi a vicenda su distanze maggiori di quanto precedentemente possibile. Alexey Gorshkov del team di ricerca lo paragona alla condivisione di palline da tennis tra un gruppo di persone. Mentre i metodi precedenti essenzialmente consentivano alle persone di passare le palline da tennis solo a una persona in piedi accanto a loro, il nuovo approccio consentirebbe a un individuo di lanciarli alle persone dall'altra parte della stanza.

"Sono queste interazioni dipolari a lungo raggio in 3-D che consentono di creare entanglement molto più velocemente rispetto ai sistemi con interazioni a corto raggio, " disse Gorshkov, un fisico teorico al NIST e al Joint Center for Quantum Information and Computer Science e al Joint Quantum Institute, che sono collaborazioni tra il NIST e l'Università del Maryland. "Ovviamente, se puoi lanciare cose direttamente alle persone che sono lontane, puoi diffondere gli oggetti più velocemente."

L'applicazione della tecnica verrebbe incentrata sulla regolazione dei tempi degli impulsi di luce laser, accendere e spegnere i laser in particolari schemi e ritmi per trasformare rapidamente gli atomi sospesi in un sistema entangled coerente.

L'approccio potrebbe anche trovare applicazione nei sensori, che potrebbero sfruttare l'entanglement per ottenere una sensibilità molto maggiore rispetto ai sistemi classici. Mentre il rilevamento quantistico potenziato dall'entanglement è un campo giovane, potrebbe consentire la scansione ad alta risoluzione di piccoli oggetti, come distinguere lievi differenze di temperatura tra parti di una singola cellula vivente o eseguire l'imaging magnetico del suo interno.

Gorshkov ha affermato che il metodo si basa su due studi degli anni '90 in cui diversi ricercatori del NIST hanno considerato la possibilità di utilizzare un gran numero di oggetti minuscoli, come un gruppo di atomi, come sensori. Gli atomi potrebbero misurare le proprietà di un campo magnetico vicino, Per esempio, perché il campo cambierebbe i livelli di energia dei loro elettroni. Questi sforzi precedenti hanno mostrato che l'incertezza in queste misurazioni sarebbe vantaggiosamente inferiore se gli atomi fossero tutti entangled, piuttosto che semplicemente un gruppo di oggetti indipendenti che si trovavano vicini l'uno all'altro.

"L'incertezza è la chiave qui, " disse Gorshkov. "Vuoi che l'incertezza sia il più bassa possibile. Se gli atomi sono entangled, hai meno incertezza sulla grandezza di quel campo magnetico."

Portare gli atomi in uno stato entangled più rapidamente sarebbe un potenziale vantaggio in qualsiasi applicazione pratica, anche perché l'intreccio può essere fugace.

Quando un gruppo di atomi è entangled, lo stato quantistico di ciascuno è legato agli altri in modo che l'intero sistema possieda un unico stato quantistico. Questa connessione può esistere anche se gli atomi sono separati e completamente isolati l'uno dall'altro (dando origine alla famosa descrizione di Einstein come "azione spettrale a distanza"), ma l'entanglement è anche una condizione piuttosto fragile. La difficoltà di mantenerlo tra un gran numero di atomi ha rallentato lo sviluppo di tecnologie basate sull'entanglement come i computer quantistici.

"Gli stati entangled tendono a decoere e tornano ad essere un insieme di normali atomi indipendenti, " ha detto Gorshkov. "La gente sapeva come creare entanglement, ma abbiamo cercato un modo per farlo più velocemente."

Se il metodo può essere dimostrato sperimentalmente, potrebbe dare più tempo al processore di un computer quantistico in modo che possa superare la decoerenza, che minaccia di far crollare un calcolo prima che i qubit possano finire il loro lavoro. Ridurrebbe anche l'incertezza se utilizzato in applicazioni di rilevamento.

"Pensiamo che questo sia un modo pratico per aumentare la velocità di entanglement, " ha detto Gorshkov. "E 'stato abbastanza bello da brevettare, quindi speriamo che si riveli commercialmente utile a qualcuno".