Vivo o morto, rotazione a sinistra o rotazione a destra:nel mondo quantistico le particelle come la famosa analogia del gatto di Schrödinger possono essere tutte queste cose allo stesso tempo. Una squadra internazionale, tra cui ricercatori di diverse importanti università americane, insieme agli esperti del Forschungszentrum Jülich, sono ora riusciti a trasformare 20 bit quantistici entangled in un tale stato di sovrapposizione. La generazione di tali stati di gatto di Schrödinger atomici è considerata un passo importante nello sviluppo di computer quantistici che potrebbero superare i computer classici nella risoluzione di determinati compiti. I risultati sono stati pubblicati in Scienza venerdì scorso.

Nel 1935, il fisico Erwin Schrödinger ha proposto l'esperimento mentale con il gatto quantistico, in cui il gatto è racchiuso in una scatola insieme a un campione radioattivo, un rivelatore e una quantità letale di veleno. Se il materiale radioattivo decade, il rilevatore fa scattare un allarme e il veleno viene rilasciato. La particolarità è che secondo le regole della meccanica quantistica, a differenza dell'esperienza quotidiana, non è chiaro se il gatto sia vivo o morto. Sarebbe entrambi allo stesso tempo fino a quando uno sperimentatore non dà un'occhiata. Un unico stato si otterrebbe solo a partire dal momento di questa osservazione.

Dai primi anni '80, i ricercatori sono stati in grado di realizzare sperimentalmente questa sovrapposizione di stati quantistici in laboratorio utilizzando vari approcci. "Però, questi stati del gatto sono estremamente sensibili. Anche le più piccole interazioni termiche con l'ambiente ne provocano il collasso, " spiega Tommaso Calarco del Forschungszentrum Jülich. Tra l'altro, svolge un ruolo di primo piano nella grande iniziativa quantistica europea, il programma Quantum Flagship dell'UE. "Per questa ragione, è possibile realizzare solo un numero significativamente inferiore di bit quantistici negli stati del gatto di Schrödinger rispetto a quelli che esistono indipendentemente l'uno dall'altro".

Di questi ultimi stati, gli scienziati possono ora controllarne più di 50 in esperimenti di laboratorio. Però, questi bit quantici, o qubit in breve, non mostrano le caratteristiche speciali del gatto di Schrödinger in contrasto con i 20 qubit che il team di ricercatori ha ora creato utilizzando un simulatore quantistico programmabile stabilendo così un nuovo record che è ancora valido anche se altri approcci fisici con fotoni ottici, vengono presi in considerazione ioni intrappolati o circuiti quantistici superconduttori.

Esperti di molte delle istituzioni più rinomate del mondo hanno unito le forze per sviluppare l'esperimento. Oltre ai ricercatori Jülich, scienziati di numerose importanti università americane:Harvard, Berkeley, Sono stati coinvolti il ​​MIT e il Caltech, nonché l'Università italiana di Padova.

"I qubit allo stato di gatto sono considerati estremamente importanti per lo sviluppo delle tecnologie quantistiche, " spiega Jian Cui. "Il segreto dell'enorme efficienza e prestazioni attese dai futuri computer quantistici sta in questa sovrapposizione di stati, " dice il fisico del Peter Grünberg Institute di Jülich (PGI-8).

I bit classici in un computer convenzionale hanno sempre solo un certo valore, che è composto da 0 e 1, Per esempio. Perciò, questi valori possono essere elaborati solo bit per bit uno dopo l'altro. Qubit, che hanno più stati contemporaneamente per il principio di sovrapposizione, può memorizzare ed elaborare più valori in parallelo in un unico passaggio. Il numero di qubit è cruciale qui. Non vai lontano con solo una manciata di qubit. Ma con 20 qubit, il numero di stati sovrapposti supera già il milione. E 300 qubit possono memorizzare più numeri contemporaneamente di quante particelle ci siano nell'universo.

Il nuovo risultato di 20 qubit ora si avvicina un po' a questo valore, dopo che il vecchio record di 14 qubit è rimasto invariato dal 2011. Per il loro esperimento, i ricercatori hanno utilizzato un simulatore quantistico programmabile basato su array di atomi di Rydberg. In questo approccio, singoli atomi, in questo caso atomi di rubidio, vengono catturati dai raggi laser e tenuti in posizione uno accanto all'altro in fila. La tecnica è anche conosciuta come pinzette ottiche. Un ulteriore laser eccita gli atomi fino a raggiungere lo stato di Rydberg, in cui gli elettroni si trovano ben oltre il nucleo.

Questo processo è piuttosto complicato e di solito richiede troppo tempo, tale che il delicato stato del gatto viene distrutto prima ancora che possa essere misurato. Il gruppo di Jülich ha contribuito con la propria esperienza in Quantum Optimal Control per risolvere questo problema. Spegnendo e accendendo abilmente i laser alla giusta velocità, hanno raggiunto un'accelerazione nel processo di preparazione che ha reso possibile questo nuovo record.

"Abbiamo praticamente gonfiato alcuni atomi a tal punto che i loro gusci atomici si fondono con gli atomi adiacenti per formare contemporaneamente due configurazioni opposte, vale a dire eccitazioni che occupano tutti i siti pari o dispari, " spiega Jian Cui. "Questo arriva al punto che le funzioni d'onda si sovrappongono come nell'analogia del gatto di Schrödinger e siamo stati in grado di creare la sovrapposizione delle configurazioni opposte che è anche nota come stato di Greenberger-Horne-Zeilinger".

I loro progressi nella ricerca quantistica sono stati integrati dagli sforzi di un gruppo di ricerca cinese, che è stato pubblicato anche nell'attuale numero di " Scienza ". Usando circuiti quantistici superconduttori, i ricercatori sono riusciti a creare 18 qubit nello stato di Greenberger-Horne-Zeilinger, che è anche un nuovo record per questo approccio sperimentale.