È in corso un'intensa ricerca sui simulatori quantistici:promettono di calcolare con precisione le proprietà di sistemi quantistici complessi, quando i convenzionali e persino i supercomputer falliscono. In un progetto cooperativo, i teorici dell'Istituto Max Planck di ottica quantistica di Garching e del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) hanno ora sviluppato una nuova cassetta degli attrezzi per simulatori quantistici e l'hanno pubblicata in Progressi scientifici . Utilizza il principio della topologia vincitore del premio Nobel per consentire bit quantistici, per esempio singoli atomi, per comunicare tra loro tramite "canali radio topologici". I "canali radio" sono forniti da un campo luminoso che viaggia in guida d'onda in maniera robusta con l'ausilio della topologia. Il concetto offre spazio per idee completamente nuove, che vanno dalla ricerca di base all'informazione quantistica.

"Come possiamo far 'parlare' tra loro due bit quantici distanti?" chiede Alejandro González-Tudela. "Questa è una sfida essenziale nel campo dell'informazione quantistica e della simulazione!" Fino a poco tempo fa, il fisico teorico era un borsista post-dottorato nel dipartimento di Ignacio Cirac, direttore del Max Planck Institute of Quantum Optics a Garching, e oggi è ricercatore permanente presso l'Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC di Madrid. Insieme a Cirac e a due colleghi spagnoli dell'Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid, ora ha pubblicato un articolo scientifico che introduce una cassetta degli attrezzi completamente nuova alla fotonica. La fotonica è una branca della fisica che si occupa dell'interazione tra luce e materia e della sua applicazione tecnica.

Una possibile applicazione è la cosiddetta simulazione quantistica, che risale a un'idea del famoso premio Nobel statunitense Richard Feynman. Se si vuole calcolare il comportamento di un sistema quantistico nel modo più accurato possibile su un computer convenzionale, la potenza di calcolo necessaria raddoppia con ogni nuova particella quantistica nel sistema. A causa di questa valanga matematica, anche i sistemi quantistici relativamente piccoli costituiti da poche dozzine di particelle superano le prestazioni anche dei supercomputer convenzionali. Per questa ragione, Feynman ha avuto l'idea decenni fa di simulare il comportamento di un sistema quantistico con l'aiuto di un altro sistema quantistico. In linea di principio, un tale simulatore quantistico è un computer quantistico specializzato i cui singoli bit quantistici possono essere facilmente controllati dall'esterno, in contrasto con il sistema quantistico piuttosto inaccessibile il cui comportamento dovrebbe simulare.

Tali simulatori quantistici sono stati oggetto di un'intensa ricerca per molti anni. Per esempio, promettono di fornire una migliore comprensione delle proprietà dei materiali come la superconduttività o il magnetismo complesso. Svolgono anche un ruolo importante presso l'Istituto di Garching. Per esempio, un simulatore può essere costituito da una nuvola di atomi ultrafreddi intrappolati in un reticolo spaziale di luce laser. Se questi bit quantistici, o qubit in breve, interagiscono tra loro, lo fanno scambiando quanti di luce, fotoni. Però, un atomo normalmente emette un tale fotone in una direzione casuale. Sarebbe molto più efficiente per le simulazioni quantistiche se il qubit potesse indirizzare il suo fotone direttamente al suo prossimo o successivo ma un vicino.

Radio a fotoni robusti

González-Tudela e il suo team hanno ora sviluppato un principio teorico che consente una "radio fotonica" così mirata tra gli atomi. "Dobbiamo impacchettare i qubit e i fotoni in una guida d'onda, " spiega il teorico. Tuttavia, come "cablare" un insieme di atomi che fluttuano in una griglia di luce nello spazio con tali guide d'onda e farli parlare in modo robusto? La risposta dei quattro teorici è:con una luce estremamente delicata.

Il trucco consiste essenzialmente nel trasferire il concetto matematico di topologia dalla fisica dello stato solido alla fotonica. Nella fisica dello stato solido, ha scatenato un vero e proprio clamore negli ultimi anni perché può produrre prodotti completamente nuovi, proprietà del materiale precedentemente sconosciute. Nel 2016, i tre fisici britannici David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica per aver introdotto con successo concetti topologici nella fisica dello stato solido. In linea di principio, la domanda è quanti buchi ha un corpo geometrico. Una tazza di caffè, Per esempio, ha un buco nel manico proprio come un anello di ciambella al centro, e quindi entrambi hanno il numero uno topologico. La conseguenza:da un punto di vista puramente geometrico, la tazza e la ciambella possono essere facilmente trasformate l'una nell'altra. D'altra parte, una violenta resistenza topologica si incontra quando una ciambella a un foro deve essere trasformata in un pretzel a tre fori.

In fisica, questa regola del numero di fori ha come conseguenza che la topologia può stabilizzare enormemente determinate proprietà fisiche contro i disturbi. E questo porta alla seconda grande sfida nell'informazione quantistica e quindi nella simulazione quantistica:i disturbi ubiquitari fanno decadere rapidamente l'informazione quantistica altamente sensibile.

"Questa cosiddetta decoerenza è il più grande problema dell'informazione quantistica, " dice González-Tudela. Le proprietà accattivanti della topologia hanno presto portato le menti intelligenti alla conclusione che i bit quantistici sensibili potrebbero essere impacchettati in sistemi fisici con tali proprietà topologiche. Questo è oggetto di ricerca nella fisica dello stato solido, Per esempio, e anche grandi aziende come Microsoft stanno investendo molto in questa ricerca.

Toolbox topologico

González-Tudela ei suoi tre coautori hanno ora ideato una cassetta degli attrezzi con cui tali concetti topologici possono essere trasferiti nella fotonica. Alcuni sistemi, come gli atomi ultrafreddi nelle griglie di luce, sono già molto avanzati nella loro controllabilità. Offrono quindi molte possibilità per la simulazione quantistica. La cassetta degli attrezzi dei quattro teorici apre un nuovo spazio per molte idee creative. In poche parole, è costituito da un insieme di bit quantistici, per esempio singoli atomi disposti in linea. Possono interagire con un abilmente costruito, "bagno di luce" lineare che si comporta come la guida d'onda che i fisici teorici stavano cercando.

Se ora si manipolano le varie viti di regolazione del sistema, i bit quantistici possono scambiare fotoni come desiderato tramite questa guida d'onda. Ma non solo:ad esempio, un qubit può inviare le sue informazioni in una direzione, ma rimangono completamente al buio nella direzione opposta. Tali interazioni sono estremamente difficili da produrre nel micromondo degli atomi.

Così la cassetta degli attrezzi dei quattro teorici offre molte nuove possibilità per far comunicare tra loro i bit quantistici. Questo è esattamente ciò di cui hanno bisogno i futuri simulatori quantistici. Il concetto è anche universale:può essere realizzato anche in alcuni sistemi quantistici composti da molti qubit che sono attualmente oggetto di ricerca. Il nuovo lavoro dei quattro teorici potrebbe diventare il nucleo di idee completamente nuove, che vanno dalla pura ricerca di base all'informazione quantistica.