I fisici del MIT e dell'Università di Harvard hanno dimostrato un nuovo modo di manipolare i bit quantistici della materia. In un articolo pubblicato oggi sulla rivista Natura , riferiscono di utilizzare un sistema di laser finemente sintonizzati per prima intrappolare e poi modificare le interazioni di 51 singoli atomi, o bit quantistici.

I risultati del team rappresentano uno dei più grandi array di bit quantistici, conosciuti come qubit, che gli scienziati sono stati in grado di controllare individualmente. Nello stesso numero di Natura , un team dell'Università del Maryland riporta un sistema di dimensioni simili che utilizza ioni intrappolati come bit quantistici.

Nell'approccio MIT-Harvard, i ricercatori hanno generato una catena di 51 atomi e li hanno programmati per subire una transizione di fase quantistica, in cui ogni altro atomo della catena era eccitato. Il modello ricorda uno stato di magnetismo noto come antiferromagnete, in cui è allineato lo spin di ogni altro atomo o molecola.

Il team descrive l'array di 51 atomi come non proprio un computer quantistico generico, che teoricamente dovrebbe essere in grado di risolvere qualsiasi problema di calcolo gli venga posto, ma un "simulatore quantistico":un sistema di bit quantistici che può essere progettato per simulare un problema specifico o risolvere per una particolare equazione, molto più veloce del computer classico più veloce.

Ad esempio, il team può riconfigurare il modello degli atomi per simulare e studiare nuovi stati della materia e fenomeni quantistici come l'entanglement. Il nuovo simulatore quantistico potrebbe anche essere la base per risolvere problemi di ottimizzazione come il problema del commesso viaggiatore, in cui un venditore teorico deve individuare il percorso più breve da percorrere per visitare un determinato elenco di città. Lievi variazioni di questo problema appaiono in molte altre aree di ricerca, come il sequenziamento del DNA, spostare una punta di saldatura automatizzata su molti punti di saldatura, o instradare pacchetti di dati attraverso nodi di elaborazione.

"Questo problema è esponenzialmente difficile per un computer classico, il che significa che potrebbe risolvere questo problema per un certo numero di città, ma se volessi aggiungere altre città, diventerebbe molto più difficile, molto velocemente, " dice il coautore dello studio Vladan Vuleti?, il Lester Wolfe Professore di Fisica al MIT. "Per questo tipo di problema, non hai bisogno di un computer quantistico. Un simulatore è abbastanza buono per simulare il sistema corretto. Quindi pensiamo che questi algoritmi di ottimizzazione siano i compiti più semplici da raggiungere".

Il lavoro è stato svolto in collaborazione con i professori di Harvard Mikhail Lukin e Markus Greiner; Anche lo scienziato in visita del MIT Sylvain Schwartz è un coautore.

Separati ma interagenti

I computer quantistici sono dispositivi in ​​gran parte teorici che potrebbero potenzialmente eseguire calcoli immensamente complicati in una frazione del tempo che impiegherebbe il computer classico più potente del mondo. Lo farebbero attraverso i qubit, unità di elaborazione dati che, a differenza dei bit binari dei computer classici, può essere contemporaneamente in una posizione di 0 e 1. Questa proprietà quantistica di sovrapposizione consente a un singolo qubit di eseguire due flussi di calcolo separati contemporaneamente. L'aggiunta di qubit aggiuntivi a un sistema può velocizzare esponenzialmente i calcoli di un computer.

Ma i principali ostacoli hanno impedito agli scienziati di realizzare un computer quantistico completamente operativo. Una di queste sfide:come far interagire i qubit tra loro senza interagire con l'ambiente circostante.

"Sappiamo che le cose diventano classiche molto facilmente quando interagiscono con l'ambiente, quindi hai bisogno di [qubits] per essere super isolato, " dice Vuleti?, che è membro del Research Laboratory of Electronics e del MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms. "D'altra parte, hanno bisogno di interagire fortemente con un altro qubit."

Alcuni gruppi stanno costruendo sistemi quantistici con ioni, o atomi carichi, come qubit. Intrappolano o isolano gli ioni dal resto dell'ambiente utilizzando campi elettrici; una volta intrappolato, gli ioni interagiscono fortemente tra loro. Ma molte di queste interazioni sono fortemente repellenti, come magneti di simile orientamento, e sono quindi difficili da controllare, particolarmente in sistemi con molti ioni.

Altri ricercatori stanno sperimentando qubit superconduttori, atomi artificiali fabbricati per comportarsi in modo quantistico. Ma Vuleti? dice che tali qubit fabbricati hanno i loro svantaggi rispetto a quelli basati su atomi reali.

"Per definizione, ogni atomo è uguale a ogni altro atomo della stessa specie, "Vuleti? dice. "Ma quando li costruisci a mano, allora hai influenze di fabbricazione, come frequenze di transizione leggermente diverse, giunti, eccetera."

Impostare la trappola

Vuleti? e i suoi colleghi hanno escogitato un terzo approccio alla costruzione di un sistema quantistico, usando atomi neutri, atomi che non contengono carica elettrica, come qubit. A differenza degli ioni, gli atomi neutri non si respingono, e hanno proprietà intrinsecamente identiche, a differenza dei qubit superconduttori fabbricati.

Nei lavori precedenti, il gruppo ha ideato un modo per intrappolare i singoli atomi, utilizzando un raggio laser per raffreddare prima una nuvola di atomi di rubidio fino a temperature prossime allo zero assoluto, rallentando il loro movimento fino quasi all'arresto. Quindi impiegano un secondo laser, suddivisa in più di 100 raggi, per intrappolare e trattenere i singoli atomi in posizione. Sono in grado di visualizzare la nuvola per vedere quali raggi laser hanno intrappolato un atomo, e può spegnere alcuni raggi per scartare quelle trappole senza un atomo. Quindi riorganizzano tutte le trappole con gli atomi, per creare un ordinato, array di qubit privi di difetti.

Con questa tecnica, i ricercatori sono riusciti a costruire una catena quantistica di 51 atomi, tutti intrappolati nel loro stato fondamentale, o livello di energia più basso.

Nel loro nuovo documento, il team riferisce di fare un passo avanti, per controllare le interazioni di questi 51 atomi intrappolati, un passo necessario verso la manipolazione dei singoli qubit. Fare così, hanno spento temporaneamente le frequenze laser che originariamente intrappolavano gli atomi, permettendo al sistema quantistico di evolversi naturalmente.

Hanno quindi esposto il sistema quantistico in evoluzione a un terzo raggio laser per cercare di eccitare gli atomi in quello che è noto come stato di Rydberg, uno stato in cui uno degli elettroni di un atomo è eccitato a un'energia molto alta rispetto al resto dell'atomo. elettroni. Finalmente, hanno riacceso i raggi laser che intrappolano gli atomi per rilevare gli stati finali dei singoli atomi.

"Se tutti gli atomi iniziano nello stato fondamentale, si scopre che quando proviamo a mettere tutti gli atomi in questo stato eccitato, lo stato che emerge è quello in cui ogni secondo atomo è eccitato, "Vuleti? dice. "Quindi gli atomi fanno una transizione di fase quantistica a qualcosa di simile a un antiferromagnete".

La transizione avviene solo in ogni altro atomo a causa del fatto che gli atomi negli stati di Rydberg interagiscono molto fortemente tra loro, e ci vorrebbe molta più energia per eccitare due atomi vicini agli stati di Rydberg di quanta il laser possa fornire.

Vuleti? afferma che i ricercatori possono modificare le interazioni tra gli atomi modificando la disposizione degli atomi intrappolati, così come la frequenza o il colore del raggio laser di eccitazione dell'atomo. Cosa c'è di più, il sistema può essere facilmente ampliato.

"Pensiamo di poterlo scalare fino a poche centinaia, "Vuleti? dice. "Se vuoi usare questo sistema come un computer quantistico, diventa interessante dell'ordine di 100 atomi, a seconda del sistema che stai cercando di simulare."

Per adesso, i ricercatori stanno progettando di testare il sistema a 51 atomi come simulatore quantistico, in particolare sui problemi di ottimizzazione della pianificazione del percorso che possono essere risolti utilizzando il calcolo quantistico adiabatico, una forma di calcolo quantistico proposta per la prima volta da Edward Farhi, il Cecil e Ida Green Professore di Fisica al MIT.

Il calcolo quantistico adiabatico propone che lo stato fondamentale di un sistema quantistico descriva la soluzione al problema di interesse. Quando quel sistema può essere evoluto per produrre il problema stesso, lo stato finale del sistema può confermare la soluzione.

"Puoi iniziare preparando il sistema in uno stato semplice e noto di energia più bassa, per esempio tutti gli atomi nei loro stati fondamentali, quindi deformalo lentamente per rappresentare il problema che vuoi risolvere, ad esempio, il problema del commesso viaggiatore, "Vuleti? dice. "È un lento cambiamento di alcuni parametri nel sistema, che è esattamente ciò che facciamo in questo esperimento. Quindi il nostro sistema è orientato verso questi problemi di calcolo quantistico adiabatico".