Quando si parla di "informatica, " in genere intendiamo la parte tecnologica, come i computer, reti, e software. Ma l'informazione stessa, e il suo comportamento nei sistemi quantistici, è un punto centrale per il Quantum Engineering Group (QEG) interdisciplinare del MIT che cerca di sviluppare l'informatica quantistica e altre applicazioni della tecnologia quantistica.

Un team QEG ha fornito una visibilità senza precedenti sulla diffusione delle informazioni in grandi sistemi di meccanica quantistica, attraverso una nuova metodologia e metrica di misurazione descritta in un nuovo articolo in Physics Review Letters. La squadra ha saputo, per la prima volta, misurare la diffusione delle correlazioni tra gli spin quantistici nei cristalli di fluorapatite, utilizzando un adattamento delle tecniche di risonanza magnetica nucleare (NMR) allo stato solido a temperatura ambiente.

I ricercatori credono sempre più che una comprensione più chiara della diffusione delle informazioni non sia solo essenziale per comprendere il funzionamento del regno quantistico, dove le leggi classiche della fisica spesso non si applicano, ma potrebbe anche aiutare a progettare il "cablaggio" interno dei computer quantistici, sensori, e altri dispositivi.

Un fenomeno quantistico chiave è la correlazione non classica, o intreccio, in cui coppie o gruppi di particelle interagiscono in modo tale che le loro proprietà fisiche non possono essere descritte indipendentemente, anche quando le particelle sono ampiamente separate.

Questa relazione è fondamentale per un campo in rapida evoluzione in fisica, teoria dell'informazione quantistica. Pone una nuova prospettiva termodinamica in cui le informazioni e l'energia sono collegate, in altre parole, quell'informazione è fisica, e che la condivisione delle informazioni a livello quantistico è alla base della tendenza universale verso l'entropia e l'equilibrio termico, nota nei sistemi quantistici come termalizzazione.

Responsabile QEG Paola Cappellaro, l'Ester e Harold E. Edgerton Professore Associato di Scienza e Ingegneria Nucleare, co-autore del nuovo documento con lo studente laureato in fisica Ken Xuan Wei e il collaboratore di lunga data Chandrasekhar Ramanathan del Dartmouth College.

Cappellaro spiega che uno scopo primario della ricerca era misurare la lotta a livello quantistico tra due stati della materia:termalizzazione e localizzazione, uno stato in cui il trasferimento di informazioni è limitato e la tendenza verso una maggiore entropia è in qualche modo contrastata dal disordine. Il lavoro del team QEG si è incentrato sul complesso problema della localizzazione a molti corpi (MBL) in cui il ruolo delle interazioni spin-spin è fondamentale.

La capacità di raccogliere questi dati sperimentalmente in un laboratorio è una svolta, in parte perché la simulazione dei sistemi quantistici e delle transizioni localizzazione-termalizzazione è estremamente difficile anche per i computer più potenti di oggi. "La dimensione del problema diventa intrattabile molto rapidamente, quando hai interazioni, " dice Cappellaro. "Puoi simulare forse 12 rotazioni usando la forza bruta, ma questo è tutto, molto meno di quanto il sistema sperimentale sia in grado di esplorare".

Le tecniche NMR possono rivelare l'esistenza di correlazioni tra spin, poiché gli spin correlati ruotano più velocemente sotto i campi magnetici applicati rispetto agli spin isolati. Però, gli esperimenti NMR tradizionali possono estrarre solo informazioni parziali sulle correlazioni. I ricercatori del QEG hanno combinato queste tecniche con la loro conoscenza della dinamica di spin nel loro cristallo, la cui geometria confina approssimativamente l'evoluzione a catene di spin lineari.

"Questo approccio ci ha permesso di capire una metrica, lunghezza media di correlazione, per quanti giri sono collegati tra loro in una catena, "dice Cappellaro. "Se la correlazione cresce, ti dice che l'interazione sta vincendo contro il disturbo che sta causando la localizzazione. Se la lunghezza della correlazione smette di crescere, il disordine sta vincendo e mantenendo il sistema in uno stato più quantistico localizzato".

Oltre a poter distinguere tra diversi tipi di localizzazione (come MBL e la più semplice localizzazione di Anderson), il metodo rappresenta anche un possibile progresso verso la capacità di controllo di questi sistemi attraverso l'introduzione del disordine, che promuove la localizzazione, Cappellaro aggiunge. Poiché MBL conserva le informazioni e impedisce che vengano codificate, ha potenziale per applicazioni di memoria.

Il focus della ricerca "affronta una domanda molto fondamentale sui fondamenti della termodinamica, la questione del perché i sistemi termalizzino e anche perché esiste la nozione di temperatura, " dice l'ex postdoc del MIT Iman Marvian, che ora è un assistente professore nei dipartimenti di Fisica e Ingegneria Elettrica e Informatica della Duke University. "Negli ultimi 10 anni circa ci sono state prove crescenti, dagli argomenti analitici alle simulazioni numeriche, che anche se diverse parti del sistema interagiscono tra loro, nella fase MBL i sistemi non termalizzano. Ed è molto eccitante che ora possiamo osservare questo in un esperimento reale".

"Le persone hanno proposto diversi modi per rilevare questa fase della materia, ma sono difficili da misurare in laboratorio, Spiega Marvian. “Il gruppo di Paola lo ha studiato da un nuovo punto di vista e ha introdotto quantità misurabili. Sono davvero impressionato da come sono stati in grado di estrarre informazioni utili su MBL da questi esperimenti NMR. È un grande progresso, perché rende possibile sperimentare con MBL su un cristallo naturale."

La ricerca è stata in grado di sfruttare le capacità relative alla RMN sviluppate nell'ambito di una precedente sovvenzione della US Air Force, dice Cappellaro, e alcuni finanziamenti aggiuntivi dalla National Science Foundation. Le prospettive per questo settore di ricerca sono promettenti, aggiunge. "Per molto tempo, la maggior parte della ricerca quantistica a molti corpi si è concentrata sulle proprietà di equilibrio. Ora, perché possiamo fare molti più esperimenti e vorremmo progettare sistemi quantistici, c'è molto più interesse per le dinamiche, e nuovi programmi dedicati a quest'area generale. Quindi speriamo di poter ottenere più finanziamenti e continuare il lavoro".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.