La fisica quantistica stabilisce le leggi che dominano l'universo su piccola scala. La capacità di sfruttare i fenomeni quantistici potrebbe portare a macchine come i computer quantistici, che si prevede eseguano determinati calcoli molto più velocemente dei computer convenzionali. Uno dei principali problemi con la costruzione di processori quantistici è che il monitoraggio e il controllo dei sistemi quantistici in tempo reale è un compito difficile perché i sistemi quantistici sono estremamente fragili:la manipolazione di questi sistemi introduce errori significativi nel risultato finale. Il nuovo lavoro di un team di Aalto potrebbe portare a computer quantistici precisi.

I ricercatori riferiscono di controllare i fenomeni quantistici in un circuito elettrico progettato su misura chiamato transmon. Raffreddare un chip transmon a pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto induce uno stato quantico, e il chip inizia a comportarsi come un atomo artificiale. Una delle caratteristiche quantistiche che interessano i ricercatori è che l'energia del transmone può assumere solo valori specifici, chiamati livelli energetici. I livelli di energia sono come i gradini di una scala:una persona che sale la scala deve occupare un gradino, e non può librarsi da qualche parte tra due passaggi. Allo stesso modo, l'energia transmon può occupare solo i valori impostati dei livelli energetici. Le microonde brillanti sul circuito inducono il transmon ad assorbire l'energia e a salire i gradini della scala.

Nel lavoro pubblicato l'8 febbraio sulla rivista Progressi scientifici , il gruppo della Aalto University guidato da Docent Sorin Paraoanu, docente universitario senior presso il Dipartimento di Fisica Applicata, ha fatto saltare il transmon più di un livello di energia in una volta sola. In precedenza, questo è stato possibile solo con regolazioni molto delicate e lente dei segnali a microonde che controllano il dispositivo. Nel nuovo lavoro, un segnale aggiuntivo di comando a microonde modellato in modo molto specifico consente un veloce, variazione precisa del livello di energia. Dott. Antti Vepsäläinen, l'autore principale, dice, "In Finlandia abbiamo un detto:'hiljaa hyvää tulee' (lo fa lentamente). Ma siamo riusciti a dimostrarlo correggendo continuamente lo stato del sistema, possiamo guidare questo processo più rapidamente e ad alta fedeltà."

Dott. Sergey Danilin, uno dei coautori, descrive il controllo quantistico, il processo di utilizzo di chip come i transmoni per costruire computer quantistici, estendendo l'analogia del "salire una scala". "Per ottenere un sistema quantistico utile, devi immaginare di salire su una scala tenendo in mano un bicchiere d'acqua:funziona se lo fai senza intoppi, ma se lo fai troppo velocemente, l'acqua fuoriesce. Certamente, questo richiede un'abilità speciale."

I ricercatori hanno scoperto che nel mondo quantistico, il trucco per salire velocemente la scala senza versare acqua è saltare con attenzione due pioli alla volta. Questa scorciatoia sulla scala energetica è stata ottenuta facendo assorbire al transmone due fotoni a microonde contemporaneamente. Le leggi della natura limitano la velocità con cui può verificarsi qualsiasi interruttore di energia quantistica, anche con scorciatoie, una restrizione chiamata "limite di velocità quantistica". Per loro gioia, gli scienziati di Aalto hanno scoperto che il loro nuovo metodo ha comportato modifiche al livello di energia che hanno avuto luogo a velocità vicine a questo limite teoricamente calcolato.

Anche l'impatto più ampio del controllo dei trasferimenti di energia ad alta velocità nei sistemi quantistici è entusiasmante per il team. Di grande importanza sono il calcolo quantistico e le applicazioni di simulazione quantistica, che richiede operazioni veloci e altamente robuste come la preparazione dello stato e la creazione di porte quantistiche. Il dottor Paraoanu vede altre opportunità, anche:"Vorremmo comprendere più a fondo i processi legati al trasferimento di energia, che sono onnipresenti nel mondo naturale e nella tecnologia che ci circonda. Per esempio, ci sono limiti fondamentali alla velocità con cui possiamo caricare la batteria di un'auto elettrica?" Nel campo in rapido sviluppo delle tecnologie quantistiche, è possibile che questo nuovo metodo di controllo trovi più applicazioni.