Quando gli atomi si avvicinano molto, sviluppano interazioni intriganti che potrebbero essere sfruttate per creare nuove generazioni di computer e altre tecnologie. Queste interazioni nel regno della fisica quantistica si sono rivelate difficili da studiare sperimentalmente a causa delle limitazioni di base dei microscopi ottici.

Ora un team di ricercatori di Princeton, guidato da Jeff Thompson, un assistente professore di ingegneria elettrica, ha sviluppato un nuovo modo per controllare e misurare gli atomi che sono così vicini tra loro che nessuna lente ottica può distinguerli.

Descritto in un articolo pubblicato il 30 ottobre sulla rivista Scienza , il loro metodo eccita atomi di erbio ravvicinati in un cristallo usando un laser finemente sintonizzato in un circuito ottico su scala nanometrica. I ricercatori approfittano del fatto che ogni atomo risponde a frequenze leggermente diverse, o colori, di luce laser, consentendo ai ricercatori di risolvere e controllare più atomi, senza fare affidamento sulle loro informazioni spaziali.

In un microscopio convenzionale, lo spazio tra due atomi scompare effettivamente quando la loro separazione è al di sotto di una distanza chiave chiamata limite di diffrazione, che è approssimativamente uguale alla lunghezza d'onda della luce. Questo è analogo a due stelle lontane che appaiono come un unico punto di luce nel cielo notturno. Però, questa è anche la scala alla quale gli atomi iniziano a interagire e danno origine a un comportamento quantomeccanico ricco e interessante.

"Ci chiediamo sempre, al livello più fondamentale:all'interno dei solidi, all'interno dei cristalli:cosa fanno effettivamente gli atomi? Come interagiscono?" ha detto il fisico Andrei Faraon, un professore del California Institute of Technology che non era coinvolto nella ricerca. "Questo [documento] apre la finestra per studiare gli atomi che sono molto, vicinanza molto ravvicinata."

Lo studio degli atomi e delle loro interazioni a distanze minuscole consente agli scienziati di esplorare e controllare una proprietà quantistica nota come spin. Come una forma di slancio, lo spin è solitamente descritto come su o giù (o entrambi, ma questa è un'altra storia). Quando la distanza tra due atomi diventa infinitamente piccola - solo miliardesimi di metro - lo spin dell'uno esercita un'influenza sullo spin dell'altro, e viceversa. Mentre gli spin interagiscono in questo regno, possono impigliarsi, un termine che gli scienziati usano per descrivere due o più particelle che sono indissolubilmente legate. Le particelle entangled si comportano come se condividessero un'esistenza, non importa quanto distanti diventino in seguito. L'entanglement è il fenomeno essenziale che separa la meccanica quantistica dal mondo classico, ed è al centro della visione delle tecnologie quantistiche. Il nuovo dispositivo di Princeton è un trampolino di lancio per gli scienziati per studiare queste interazioni di spin con una chiarezza senza precedenti.

Una caratteristica importante del nuovo dispositivo Princeton è il suo potenziale per indirizzare centinaia di atomi alla volta, fornendo un ricco laboratorio quantistico in cui raccogliere dati empirici. È un vantaggio per i fisici che sperano di svelare i misteri più profondi della realtà, compresa la natura spettrale dell'entanglement.

Tale indagine non è semplicemente esoterica. Negli ultimi tre decenni, gli ingegneri hanno cercato di utilizzare i fenomeni quantistici per creare tecnologie complesse per l'elaborazione e la comunicazione delle informazioni, dai blocchi logici dei computer quantistici emergenti, capace di risolvere problemi altrimenti impossibili, a metodi di comunicazione ultrasicuri in grado di collegare le macchine a un'Internet quantistica inattaccabile. Per sviluppare ulteriormente questi sistemi, gli scienziati dovranno legare le particelle in modo affidabile e sfruttare il loro entanglement per codificare ed elaborare le informazioni.

La squadra di Thompson ha visto un'opportunità nell'erbio. Tradizionalmente utilizzato in laser e magneti, L'erbio non è stato ampiamente esplorato per l'uso nei sistemi quantistici perché è difficile da osservare, secondo i ricercatori. La squadra ha fatto una svolta nel 2018, sviluppando un modo per migliorare la luce emessa da questi atomi, e per rilevare quel segnale in modo estremamente efficiente. Ora hanno dimostrato di poter fare tutto in massa.

Quando il laser illumina gli atomi, li eccita quanto basta per emettere una debole luce a una frequenza unica, ma abbastanza delicatamente da preservare e leggere gli spin degli atomi. Queste frequenze cambiano in modo così sottile in base ai diversi stati degli atomi, in modo che "su" abbia una frequenza e "giù" ne abbia un'altra, e ogni singolo atomo ha la sua coppia di frequenze.

"Se hai un insieme di questi qubit, emettono tutti luce a frequenze leggermente diverse. E così, sintonizzando attentamente il laser sulla frequenza dell'uno o sulla frequenza dell'altro, possiamo affrontarli, anche se non abbiamo la capacità di risolverli spazialmente, " disse Thompson. "Ogni atomo vede tutta la luce, ma ascoltano solo la frequenza su cui sono sintonizzati."

La frequenza della luce è quindi un proxy perfetto per lo spin. L'attivazione e la riduzione degli spin offre ai ricercatori un modo per eseguire calcoli. È simile ai transistor che sono accesi o spenti in un computer classico, dando origine agli zeri e agli uno del nostro mondo digitale.

Per formare la base di un utile processore quantistico, questi qubit dovranno fare un ulteriore passo avanti.

"La forza dell'interazione è correlata alla distanza tra i due spin, " disse Songtao Chen, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Thompson e uno dei due autori principali dell'articolo. "Vogliamo farli avvicinare in modo da poter avere questa reciproca interazione, e usa questa interazione per creare una porta logica quantistica."

Una porta logica quantistica richiede due o più qubit entangled, rendendolo in grado di eseguire operazioni quantistiche univoche, come il calcolo dei modelli di piegatura delle proteine ​​o l'instradamento delle informazioni su Internet quantistica.

Thompson, che ricopre una posizione di leadership presso la nuova iniziativa di scienza quantistica da 115 milioni di dollari del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, è in missione per portare questi qubit al tallone. All'interno della spinta dei materiali del Co-Design Center for Quantum Advantage, dirige i subqubit per l'informatica e il networking.

Il suo sistema di erbio, un nuovo tipo di qubit particolarmente utile nelle applicazioni di rete, può operare utilizzando l'infrastruttura di telecomunicazioni esistente, inviare segnali sotto forma di luce codificata su dispositivi al silicio e fibre ottiche. Queste due proprietà conferiscono all'erbio un vantaggio industriale rispetto ai qubit a stato solido più avanzati di oggi, che trasmettono informazioni attraverso lunghezze d'onda della luce visibile che non funzionano bene con le reti di comunicazione in fibra ottica.

Ancora, operare su larga scala, il sistema di erbio dovrà essere ulteriormente ingegnerizzato.

Mentre il team può controllare e misurare lo stato di rotazione dei suoi qubit, non importa quanto si avvicinino, e utilizzare strutture ottiche per produrre misurazioni ad alta fedeltà, non possono ancora organizzare i qubit come necessario per formare porte a due qubit. Fare quello, gli ingegneri dovranno trovare un materiale diverso per ospitare gli atomi di erbio. Lo studio è stato progettato tenendo presente questo miglioramento futuro.

"Uno dei principali vantaggi del modo in cui abbiamo fatto questo esperimento è che non ha nulla a che fare con l'ospite in cui si trova l'erbio, " disse Mouktik Raha, uno studente laureato del sesto anno in ingegneria elettrica e uno dei due autori principali dell'articolo. "Finché puoi metterci l'erbio dentro e non si agita, sei a posto."