Due gruppi indipendenti di scienziati, tra cui uno dell'Università del Maryland (UMD) e del National Institute of Standards and Technology (NIST), hanno utilizzato più di 50 qubit atomici interagenti per imitare la materia quantistica magnetica, superando la complessità delle precedenti manifestazioni. I risultati appaiono nel numero di questa settimana di Natura .

Come base per la sua simulazione quantistica, il team dell'UMD-NIST distribuisce fino a 53 singoli ioni di itterbio, atomi carichi intrappolati in posizione da elettrodi rivestiti d'oro e affilati come rasoi. Un progetto complementare dei ricercatori di Harvard e del MIT utilizza 51 atomi di rubidio non caricati confinati da una serie di raggi laser. Con così tanti qubit questi simulatori quantistici sono sul punto di esplorare la fisica che è irraggiungibile anche dai supercomputer moderni più veloci. E aggiungere ancora più qubit è solo questione di aggiungere più atomi al lazo nel mix.

"Ogni qubit ionico è un orologio atomico stabile che può essere replicato perfettamente, " dice il capo del team UMD Christopher Monroe, che è anche il co-fondatore e capo scienziato della startup IonQ Inc. "Sono effettivamente cablati insieme a raggi laser esterni. Ciò significa che lo stesso dispositivo può essere riprogrammato e riconfigurato, da fuori, per adattarsi a qualsiasi tipo di simulazione quantistica o futura applicazione del computer quantistico che si presenta." Monroe è stato uno dei primi pionieri nell'informatica quantistica e il simulatore quantistico del suo gruppo di ricerca fa parte di un progetto per un computer quantistico generico.

Hardware quantistico per un problema quantistico

Mentre moderno, i computer a transistor sono ottimi per farsi strada attraverso molti problemi, possono fermarsi di colpo quando hanno a che fare con più di 20 oggetti quantistici interagenti. Questo è certamente il caso del magnetismo quantistico, in cui le interazioni possono portare all'allineamento magnetico oa un miscuglio di interessi in competizione su scala quantistica.

"Ciò che rende difficile questo problema è che ogni magnete interagisce con tutti gli altri magneti, " dice il ricercatore dell'UMD Zhexuan Gong, principale teorico e coautore dello studio. "Con i 53 magneti quantistici interagenti in questo esperimento, ci sono oltre un quadrilione di possibili configurazioni di magneti, e questo numero raddoppia con ogni magnete aggiuntivo. Simulare questo problema su larga scala su un computer convenzionale è estremamente impegnativo, se possibile."

Quando questi calcoli colpiscono un muro, un simulatore quantistico può aiutare gli scienziati a superare i problemi difficili. Questo è un tipo limitato di computer quantistico che utilizza i qubit per imitare la materia quantistica complessa. I qubit sono sistemi quantistici isolati e ben controllati che possono trovarsi in una combinazione di due o più stati contemporaneamente. I qubit sono disponibili in diverse forme, e gli atomi, i versatili elementi costitutivi di tutto, sono una delle scelte principali per creare qubit. Negli ultimi anni, gli scienziati hanno controllato da 10 a 20 qubit atomici in simulazioni quantistiche su piccola scala.

Attualmente, colossi dell'industria tecnologica, startup e ricercatori universitari sono in una corsa feroce per costruire prototipi di computer quantistici in grado di controllare ancora più qubit. Ma i qubit sono delicati e devono rimanere isolati dall'ambiente per proteggere la natura quantistica del dispositivo. Con ogni qubit aggiunto questa protezione diventa più difficile, soprattutto se i qubit non sono identici dall'inizio, come nel caso dei circuiti fabbricati. Questo è uno dei motivi per cui gli atomi sono una scelta interessante che può semplificare notevolmente il processo di scalabilità verso macchine quantistiche su larga scala.

Un vantaggio atomico

A differenza dei circuiti integrati dei computer moderni, i qubit atomici risiedono all'interno di una camera a vuoto a temperatura ambiente che mantiene una pressione simile allo spazio esterno. Questo isolamento è necessario per tenere a bada l'ambiente distruttivo, e consente agli scienziati di controllare con precisione i qubit atomici con una rete di laser altamente ingegnerizzata, lenti a contatto, specchi, fibre ottiche e circuiti elettrici.

"I principi dell'informatica quantistica differiscono radicalmente da quelli dell'informatica convenzionale, quindi non c'è motivo di aspettarsi che queste due tecnologie assomiglino, "dice Monroe.

Nel simulatore a 53 qubit, i qubit ionici sono costituiti da atomi che hanno tutti la stessa carica elettrica e quindi si respingono a vicenda. Ma mentre si allontanano a vicenda, un campo elettrico generato da una trappola li costringe a tornare insieme. I due effetti si bilanciano, e gli ioni si allineano in un unico file. I fisici sfruttano la repulsione intrinseca per creare interazioni deliberate tra ioni, che sono necessari per simulare la materia quantistica interagente.

La simulazione quantistica inizia con un impulso laser che comanda tutti i qubit nello stesso stato. Quindi, un secondo set di raggi laser interagisce con i qubit ionici, costringendoli ad agire come minuscoli magneti, ciascuno con un polo nord e uno sud. La squadra fa questo secondo passo all'improvviso, che mette in azione i qubit. Si sentono combattuti tra due scelte, o fasi, di materia quantistica. Come magneti, possono allineare i loro poli con i loro vicini per formare un ferromagnete o puntare in direzioni casuali senza produrre magnetizzazione. I fisici possono modificare le forze relative dei raggi laser e osservare quale fase vince in diverse condizioni laser.

L'intera simulazione richiede solo pochi millisecondi. Ripetendo il processo molte volte e misurando gli stati risultanti in diversi punti durante la simulazione, il team può vedere il processo mentre si svolge dall'inizio alla fine. I ricercatori osservano come i magneti qubit si organizzano mentre si formano diverse fasi, dinamiche che secondo gli autori sono quasi impossibili da calcolare usando mezzi convenzionali quando ci sono così tante interazioni.

Questo simulatore quantistico è adatto per sondare la materia magnetica e i problemi correlati. Ma altri tipi di calcoli potrebbero richiedere un computer quantistico più generale con interazioni programmabili arbitrariamente per ottenere una spinta.

"Le simulazioni quantistiche sono ampiamente ritenute una delle prime applicazioni utili dei computer quantistici, "dice Alexey Gorshkov, Fisico teorico del NIST e coautore dello studio. "Dopo aver perfezionato questi simulatori quantistici, possiamo quindi implementare circuiti quantistici e alla fine collegare quantisticamente molte di queste catene ioniche per costruire un computer quantistico su vasta scala con un dominio di applicazioni molto più ampio".

Mentre cercano di aggiungere ancora più qubit, il team ritiene che il suo simulatore si imbarcherà su terreni più impegnativi dal punto di vista computazionale, oltre il magnetismo. "Stiamo continuando a perfezionare il nostro sistema, e pensiamo che presto, saremo in grado di controllare 100 qubit di ioni, o più, "dice Jiehang Zhang, l'autore principale dello studio e ricercatore post-dottorato UMD. "A quel punto, possiamo potenzialmente esplorare problemi difficili nella chimica quantistica o nella progettazione dei materiali".