Filip Malinowski indica un chip simile a quello che gli scienziati dell'NBI hanno usato nei loro esperimenti per invertire i qubit. Credito:Ola Jakup Joensen
Un gruppo di scienziati del Niels Bohr Institute (NBI), Università di Copenaghen, ha scoperto come fare in modo che i qubit di spin eseguano rotazioni all'indietro controllate. Questo non è mai stato mostrato prima - e il diario Lettere di revisione fisica , dove la ricerca è stata appena pubblicata, mette in evidenza la scoperta innovativa nella categoria "Suggerimenti dell'editore".
"Immagino che si possa dire che abbiamo capito come far funzionare i qubit sia in marcia avanti che in retromarcia, in determinate circostanze, " dice il Ph.D. Filip Malinowski, Centro per dispositivi quantistici (QDev) presso l'Istituto Niels Bohr.
Malinowski e il collega di QDev Frederico Martins – che ora lavora con l'Università del New South Wales, Australia - ha guidato il "progetto inverso" che includeva anche scienziati della Purdue University, STATI UNITI D'AMERICA. Il ruolo degli scienziati americani prevedeva la produzione di cristalli semiconduttori estremamente puri, che il team dell'NBI aveva bisogno come base su cui costruire quando metteva insieme lo specifico "ambiente" necessario per forzare i qubit in retromarcia.
La scoperta dell'NBI dovrebbe essere vista nel contesto dei computer quantistici, i nuovi e potenti super computer di nuova generazione che gli scienziati di tutto il mondo – QDev non fa eccezione – aspirano a sviluppare attraverso vari progetti.
Per costruire un computer quantistico hai bisogno di qubit e i qubit differiscono dai bit binari che sono la spina dorsale dei computer contemporanei. I bit binari possono assumere i valori 0 o 1 e quindi – in linea di principio – funzionano come interruttori:sono o 'on, "o sono "spenti".
Come pezzi classici, i qubit possono assumere i valori 0 e 1. Tuttavia:i qubit possono anche trovarsi in uno stato che rappresenta 0 e 1 contemporaneamente, una cosiddetta sovrapposizione.
"Codifichiamo i qubit nella direzione in cui punta lo spin dell'elettrone ed elaboriamo le informazioni quantistiche ruotando gli spin attorno a diversi assi. In teoria, le rotazioni avanti e indietro producono diversi stati di sovrapposizione, ma sperimentalmente fino ad ora erano possibili solo rotazioni in avanti, "dice Federico Martins.
Velocità e precisione
Il fatto che i qubit possano trovarsi in uno stato di sovrapposizione è ciò che consentirà a un computer quantistico, una volta sviluppato, di eseguire contemporaneamente un numero davvero elevato di calcoli diversi.
Per effettuare la ricerca sui qubit è necessario lavorare a temperature molto basse – prossime allo zero assoluto (-273,15 C) – perché queste condizioni schermano i qubit da vari disturbi che possono influire sul loro livello di prestazione, per esempio. rumore.
"I nostri esperimenti sono stati condotti a soli 0,02 C sopra lo zero assoluto. Siamo stati in grado di creare questa temperatura molto bassa grazie a speciali apparecchiature nel laboratorio QDev - una versione di un criostato, un cosiddetto frigorifero a diluizione, " spiega Filip Malinowski:
Il quadrato nero, che misura circa 3x3 millimetri, è un chip semiconduttore simile a quello utilizzato dallo scienziato dell'NBI nei suoi esperimenti. Il chip si trova su un circuito stampato. Credito: Filip Malinowski
"E quando alla fine verrà sviluppato un computer quantistico, molto probabilmente includerà anche qualche versione di un criostato."
L'analogia dell'auto
Quali sono le possibili implicazioni pratiche del fatto che ora puoi forzare i qubit al contrario, come dimostrato dagli scienziati dell'NBI?
Da un lato, consente di eseguire calcoli più rapidi di una data quantità di dati rispetto a quanto è possibile fare basandosi su qubit dotati di una sola marcia avanti.
Ma è anche possibile scegliere la precisione rispetto alla velocità lasciando che i "qubit inversi" lavorino a un ritmo moderato in un futuro computer quantistico. In tal caso il vantaggio saranno i calcoli di maggiore precisione, dice a Filip Malinowski:"E di conseguenza sarai in grado di evitare molti errori che dovrebbero essere corretti attraverso calcoli aggiuntivi."
Per capire quanto diventa improvvisamente più facile controllare i qubit una volta che sono stati dotati di retromarcia, un'analogia che coinvolge un'auto è utile, afferma il professore associato Ferdinand Kuemmeth, capo del team QDev dietro la scoperta:
"Immagina di guidare un'auto lungo una strada affollata - la strada in cui vivi - e di volerla parcheggiare esattamente davanti alla tua porta. Questo può essere un compito arduo, soprattutto se ci sono molte auto – (rumore, quando parliamo di qubit) – intorno a te. E ora immagina di farlo senza retromarcia:se superi leggermente, hai perso la tua occasione, ed è difficile trovare una soluzione. Lo stesso vale con i qubit rotanti:se si supera leggermente, cosa che accade spesso a causa dell'ambiente rumoroso, non c'era modo di ruotare indietro il qubit, fino ad ora!"
Un processo di costruzione
La funzione inversa nei qubit è stata dimostrata in un esperimento che coinvolge un "ambiente" quantistico che gli scienziati dell'NBI hanno costruito su un cristallo su misura - una struttura a sandwich fornita dalla Purdue University, costituito da un materiale con distribuzione di elettroni straordinariamente uniforme.
Alla base dell'"ambiente" c'è la struttura cristallina, che gli scienziati dell'NBI hanno ricoperto con un polimero.
Il passo successivo è stato "disegnare" uno schema di scanalature nello strato polimerico, utilizzando un fascio di elettroni.
Con la marcia avanti solo qualsiasi errore può essere corretto, ma a un costo significativo, come guidare un'auto intorno all'isolato per riprovare. D'altra parte con una retromarcia si possono semplicemente fare delle regolazioni fini guidando un po' avanti e indietro. Nel lavoro degli scienziati dell'NBI la marcia avanti indica che due spin di elettroni paralleli hanno un'energia maggiore rispetto agli spin di elettroni che puntano nelle direzioni opposte. Nel frattempo, sulla retromarcia, la configurazione di rotazione parallela ha un'energia inferiore. Solitamente i due spin confinati nel piccolo spazio hanno poca energia se puntano in direzione opposta. Questo perché possono occupare l'orbitale più basso, come due elettroni in un atomo di elio. Nel frattempo il principio di esclusione di Pauli proibisce a due elettroni di occupare lo stesso orbitale se il loro spin è lo stesso. Questo costringe il secondo elettrone ad occupare un altro orbitale, aumentando la sua energia. Però, la situazione cambia quando i due spin galleggiano in un pool di molti altri elettroni "neutralizzati". Quindi il principio di esclusione di Pauli vieta agli elettroni con spin che puntano nella stessa direzione di fluttuare l'uno vicino all'altro. Quindi due elettroni carichi negativamente con spin paralleli si respingono più debolmente, che se i loro giri fossero opposti. Tutto sommato, una repulsione più debole diminuisce l'energia della configurazione di spin parallelo. In generale questi due effetti coesistono e competono. Lo scienziato dell'NBI ha dimostrato che è possibile passare da una configurazione in cui domina il primo o il secondo effetto. Credito:Istituto Niels Bohr
Quindi il polimero – ora indebolito – è stato lavato via dal modello indicato – aprendo le scanalature, come fossi.
Infine le scanalature sulla parte superiore del cristallo sono state riempite con un metallo per formare elettrodi, di cui il più piccolo misurava appena 20 nanometri - e applicando diverse tensioni a questi elettrodi è possibile respingere o attirare gli elettroni, ponendo infine i singoli elettroni in posizioni specifiche.
Gli scienziati dell'NBI hanno utilizzato un tale chip per controllare con precisione la cosiddetta interazione di scambio - un'interazione fondamentale tra gli elettroni che può essere utilizzata per forzare i qubit in retromarcia - e come ciò viene fatto è spiegato più dettagliatamente nel grafico delle notizie.
Centro per dispositivi quantistici, QDev – il laboratorio dove si è svolta la ricerca. Foto:Ola Jakup Joensen
La spiegazione condensata è incentrata sul fatto che quando due elettroni ruotano - uno rivolto verso l'alto, l'altro verso il basso - sono posti nello stesso spazio ristretto, iniziano a ruotare insieme, dice Filip Malinowski:
"In questo caso questi elettroni sono qubit - e se torniamo all'analogia con l'auto, inizieranno a ruotare o ad avanzare. Fino ad ora si è supposto che questa fosse davvero l'unica direzione in cui avrebbero potuto muoversi, ed è qui che entra in gioco la nostra scoperta".
La funzione inversa diventa realtà quando due spin di elettroni che puntano in modo opposto, i qubit, vengono collocati in un ambiente confinato insieme a molte altre coppie di elettroni.
Ora, sempre a temperature molto basse, diventa improvvisamente possibile forzare i qubit in retromarcia.
L'arseniuro di gallio - il materiale di cui è fatto il cristallo prodotto negli Stati Uniti - svolge un ruolo di primo piano nell'esperimento NBI, ma la tecnica probabilmente funzionerà altrettanto bene con un certo numero di altri semiconduttori, dice Filip Malinowski:
"Soprattutto silicio, che è essenziale per i chip presenti nei processori della nostra generazione attuale, ma il silicio potrebbe anche essere utilizzato come materiale da costruzione per i computer quantistici".
