I ricercatori dell'Università di Chicago e dell'Argonne National Laboratory hanno inventato un modo innovativo per "parlare" tra diversi tipi di tecnologia quantistica usando il suono. Lo studio, pubblicato l'11 febbraio in Fisica della natura , è un passo importante per avvicinare la tecnologia quantistica alla realtà.

I ricercatori stanno osservando i sistemi quantistici, che sfruttano il comportamento bizzarro delle particelle più piccole come la chiave per una generazione fondamentalmente nuova di elettronica su scala atomica per il calcolo e la comunicazione. Ma una sfida persistente è stata il trasferimento di informazioni tra diversi tipi di tecnologia, come memorie quantistiche e processori quantistici.

"Ci siamo avvicinati a questa domanda chiedendoci:possiamo manipolare e connettere gli stati quantistici della materia con le onde sonore?" ha affermato l'autore senior dello studio David Awschalom, il professore della famiglia Liew presso l'Istituto di ingegneria molecolare e scienziato senior presso l'Argonne National Laboratory.

Un modo per eseguire un'operazione di calcolo quantistico è usare gli "spin", una proprietà di un elettrone che può essere alto, giù o entrambi. Gli scienziati possono usarli come zero e uno nel linguaggio di programmazione binario di oggi. Ma ottenere queste informazioni altrove richiede un traduttore, e gli scienziati pensavano che le onde sonore potessero aiutare.

"L'obiettivo è accoppiare le onde sonore con gli spin degli elettroni nel materiale, " ha detto lo studente laureato Samuel Whiteley, il co-primo autore dell'articolo. "Ma la prima sfida è fare in modo che i giri prestino attenzione". Così hanno costruito un sistema con elettrodi curvi per concentrare le onde sonore, come usare una lente d'ingrandimento per mettere a fuoco un punto di luce.

I risultati sono stati promettenti, ma avevano bisogno di più dati. Per vedere meglio cosa stava succedendo, hanno lavorato con gli scienziati del Center for Nanoscale Materials ad Argonne per osservare il sistema in tempo reale. Essenzialmente, hanno usato estremamente luminoso, potenti raggi X dal sincrotrone gigante del laboratorio, la Sorgente Fotonica Avanzata, come un microscopio per scrutare gli atomi all'interno del materiale mentre le onde sonore si muovevano attraverso di esso a quasi 7, 000 chilometri al secondo.

"Questo nuovo metodo ci consente di osservare la dinamica e la struttura atomica nei materiali quantistici su scale di lunghezza estremamente ridotte, " ha detto Awschalom. "Questo è uno dei pochi luoghi al mondo con la strumentazione per osservare direttamente gli atomi che si muovono in un reticolo mentre le onde sonore li attraversano".

Uno dei tanti risultati sorprendenti, i ricercatori hanno detto, era che gli effetti quantistici delle onde sonore erano più complicati di quanto avessero immaginato all'inizio. Per costruire una teoria completa dietro ciò che stavano osservando a livello subatomico, si sono rivolti alla prof.ssa Giulia Galli, il professore della famiglia Liew all'IME e uno scienziato senior all'Argonne. La modellazione del sistema comporta lo smistamento delle interazioni di ogni singola particella nel sistema, che cresce esponenzialmente, Awschalom ha detto, "ma il professor Galli è un esperto mondiale nel prendere questo tipo di problema impegnativo e nell'interpretare la fisica sottostante, che ci ha permesso di migliorare ulteriormente il sistema."

Normalmente è difficile inviare informazioni quantistiche per più di pochi micron, disse Whiteley:è la larghezza di un singolo filo di seta di ragno. Questa tecnica potrebbe estendere il controllo su un intero chip o wafer.

"I risultati ci hanno fornito nuovi modi per controllare i nostri sistemi, e apre sedi di ricerca e applicazioni tecnologiche come il rilevamento quantistico, " ha detto il ricercatore post-dottorato Gary Wolfowicz, l'altro co-primo autore dello studio.

La scoperta è un'altra del programma leader mondiale della scienza e dell'ingegneria dell'informazione quantistica dell'Università di Chicago; Awschalom sta attualmente conducendo un progetto per costruire una rete di "teletrasporto" quantistico tra Argonne e il Fermi National Accelerator Laboratory per testare i principi di un sistema di comunicazione potenzialmente inattaccabile.