Un nuovo metodo consente una misurazione estremamente accurata dello stato quantistico dei qubit atomici, l'unità di base delle informazioni nei computer quantistici. Gli atomi vengono inizialmente ordinati per riempire due piani 5x5 (la griglia gialla tratteggiata indica le loro posizioni iniziali). Dopo aver scattato le prime immagini, le microonde sono usate per mettere gli atomi in sovrapposizioni uguali di due stati di spin. Uno spostamento a sinistra oa destra nelle immagini finali corrisponde al rilevamento in uno stato di rotazione o nell'altro. I modelli quadrati associati denotano le posizioni degli atomi (ciano:posizione iniziale, arancione e blu:posizioni spostate). Credito:Laboratorio Weiss, Penn State
Un nuovo metodo consente di misurare lo stato quantistico dei "qubit" atomici, l'unità di base dell'informazione nei computer quantistici, con un errore venti volte inferiore rispetto a quanto era possibile in precedenza, senza perdere alcun atomo. Misurazione accurata degli stati dei qubit, che sono analoghi agli stati uno o zero dei bit nell'informatica tradizionale, è un passo fondamentale nello sviluppo dei computer quantistici. Un documento che descrive il metodo dei ricercatori della Penn State appare il 25 marzo, 2019 sulla rivista Fisica della natura .
"Stiamo lavorando per sviluppare un computer quantistico che utilizzi una matrice tridimensionale di atomi di cesio raffreddati al laser e intrappolati come qubit, " ha detto David Weiss, professore di fisica alla Penn State e capo del gruppo di ricerca. "A causa di come funziona la meccanica quantistica, i qubit atomici possono esistere in una "sovrapposizione" di due stati, il che significa che possono essere, in un senso, in entrambi gli stati contemporaneamente. Per leggere il risultato di un calcolo quantistico, è necessario eseguire una misurazione su ciascun atomo. Ogni misurazione trova ogni atomo in uno solo dei suoi due possibili stati. La probabilità relativa dei due risultati dipende dallo stato di sovrapposizione prima della misurazione."
Per misurare gli stati dei qubit, il team utilizza prima i laser per raffreddare e intrappolare circa 160 atomi in un reticolo tridimensionale con X, si, e gli assi Z. Inizialmente, i laser intrappolano tutti gli atomi in modo identico, indipendentemente dal loro stato quantistico. I ricercatori quindi ruotano la polarizzazione di uno dei raggi laser che crea il reticolo X, che sposta spazialmente gli atomi in uno stato di qubit a sinistra e gli atomi nell'altro stato di qubit a destra. Se un atomo inizia in una sovrapposizione dei due stati qubit, finisce in una sovrapposizione di essersi spostati a sinistra e di essersi spostati a destra. Quindi passano a un reticolo X con una spaziatura reticolare più piccola, che intrappola strettamente gli atomi nella loro nuova sovrapposizione di posizioni spostate. Quando la luce viene poi dispersa da ciascun atomo per osservare dove si trova, ogni atomo si trova spostato a sinistra o spostato a destra, con una probabilità che dipende dal suo stato iniziale. La misurazione della posizione di ciascun atomo è equivalente alla misurazione dello stato iniziale del qubit di ciascun atomo.
"Mappare gli stati interni su posizioni spaziali contribuisce notevolmente a rendere questa misura ideale, " ha detto Weiss. "Un altro vantaggio del nostro approccio è che le misurazioni non causano la perdita di nessuno degli atomi che stiamo misurando, che è un fattore limitante in molti metodi precedenti."
Il team ha determinato l'accuratezza del nuovo metodo caricando i loro reticoli con atomi in uno o nell'altro stato di qubit ed eseguendo la misurazione. Sono stati in grado di misurare con precisione gli stati degli atomi con una fedeltà di 0,9994, il che significa che c'erano solo sei errori su 10, 000 misurazioni, un miglioramento di venti volte rispetto ai metodi precedenti. Inoltre, il tasso di errore non è stato influenzato dal numero di qubit che il team ha misurato in ogni esperimento e poiché non c'era perdita di atomi, gli atomi potrebbero essere riutilizzati in un computer quantistico per eseguire il calcolo successivo.
"Il nostro metodo è simile all'esperimento Stern-Gerlach del 1922, un esperimento che è parte integrante della storia della fisica quantistica, " disse Weiss. "Nell'esperimento, un fascio di atomi d'argento è stato fatto passare attraverso un gradiente di campo magnetico con i loro poli nord allineati perpendicolarmente al gradiente. Quando Stern e Gerlach videro metà degli atomi deviare verso l'alto e metà verso il basso, ha confermato l'idea della sovrapposizione quantistica, uno degli aspetti che definiscono la meccanica quantistica. Nel nostro esperimento, mappiamo anche gli stati quantistici interni degli atomi su posizioni, ma possiamo farlo atomo per atomo. Certo, non abbiamo bisogno di testare questo aspetto della meccanica quantistica, possiamo semplicemente usarlo."
