Costruire un computer quantistico richiede di fare i conti con gli errori, in più di un senso. bit quantici, o "qubit, " che può assumere contemporaneamente i valori logici zero e uno, e quindi eseguire calcoli più velocemente, sono estremamente suscettibili alle perturbazioni. Un possibile rimedio per questo è la correzione dell'errore quantistico, il che significa che ogni qubit è rappresentato in modo ridondante in più copie, in modo tale che gli errori possano essere rilevati ed eventualmente corretti senza disturbare il fragile stato quantico del qubit stesso. tecnicamente, questo è molto impegnativo. Però, diversi anni fa, una proposta alternativa suggeriva di memorizzare le informazioni non in più qubit ridondanti, ma piuttosto nei molti stati oscillatori di un singolo oscillatore armonico quantistico. Il gruppo di ricerca di Jonathan Home, professore all'Istituto per l'elettronica quantistica dell'ETH di Zurigo, ha ora realizzato un tale qubit codificato in un oscillatore. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Natura .

Stati oscillatori periodici

Nel laboratorio di Home, dottorato di ricerca la studentessa Christa Flühmann ei suoi colleghi lavorano con atomi di calcio caricati elettricamente che sono intrappolati da campi elettrici. Utilizzando fasci laser opportunamente scelti, questi ioni vengono raffreddati a temperature molto basse alle quali le loro oscillazioni nei campi elettrici, all'interno della quale gli ioni si muovono avanti e indietro come biglie in una ciotola, sono descritti dalla meccanica quantistica come le cosiddette funzioni d'onda. "A quel punto, le cose si fanno eccitanti, " dice Flühmann, chi è il primo autore del Natura carta. "Ora possiamo manipolare gli stati oscillatori degli ioni in modo tale che la loro posizione e le incertezze del momento siano distribuite tra molti stati disposti periodicamente".

Qui, "incertezza" si riferisce alla famosa formula di Werner Heisenberg, che afferma che in fisica quantistica, il prodotto delle incertezze di misura della posizione e della velocità (più precisamente:la quantità di moto) di una particella non può mai scendere al di sotto di un minimo ben definito. Ad esempio, manipolare la particella per conoscerne molto bene la posizione - i fisici chiamano questo "spremere" - richiede di rendere meno certo il suo momento.

Incertezza ridotta

Spremere uno stato quantico in questo modo è, da solo, solo di valore limitato se lo scopo è quello di effettuare misurazioni precise. Però, c'è una via d'uscita intelligente:se, sopra la spremitura, si prepara uno stato oscillatorio in cui la funzione d'onda della particella è distribuita su molte posizioni periodicamente spaziate, l'incertezza di misura di ciascuna posizione e della rispettiva quantità di moto può essere minore di quanto consentirebbe Heisenberg. Una tale distribuzione spaziale della funzione d'onda:la particella può trovarsi in più punti contemporaneamente, e solo una misurazione decide dove si trova effettivamente - ricorda il famoso gatto di Erwin Schrödinger, che è contemporaneamente morto e vivo.

Questa incertezza di misura fortemente ridotta significa anche che il più piccolo cambiamento nella funzione d'onda, per esempio da qualche disturbo esterno, può essere determinato in modo molto preciso e, almeno in linea di principio, corretto. "La nostra realizzazione di quegli stati oscillatori periodici o simili a pettini dello ione sono un passo importante verso un tale rilevamento di errori, " spiega Flühmann. "Inoltre, possiamo preparare stati arbitrari dello ione ed eseguire su di esso tutte le possibili operazioni logiche. Tutto questo è necessario per costruire un computer quantistico. In una fase successiva vogliamo combinare questo con il rilevamento e la correzione degli errori".

Applicazioni nei sensori quantistici

Alcuni ostacoli sperimentali devono essere superati lungo la strada, Flühmann ammette. Lo ione calcio deve prima essere accoppiato ad un altro ione mediante forze elettriche, in modo che lo stato oscillatorio possa essere letto senza distruggerlo. Ancora, anche nella sua forma attuale il metodo dei ricercatori dell'ETH è di grande interesse per le applicazioni, Flühmann spiega:"Grazie alla loro estrema sensibilità ai disturbi, quegli stati oscillatori sono un ottimo strumento per misurare in modo molto preciso piccoli campi elettrici o altre quantità fisiche."