I ricercatori hanno trovato un modo per proteggere i sistemi quantistici altamente fragili dal rumore, che potrebbe aiutare nella progettazione e nello sviluppo di nuovi dispositivi quantistici, come i computer quantistici ultra potenti.

I ricercatori, dell'Università di Cambridge, hanno dimostrato che le particelle microscopiche possono rimanere intrinsecamente legate, o impigliato, su lunghe distanze anche se ci sono interruzioni casuali tra di loro. Usando la matematica della teoria quantistica, hanno scoperto una semplice configurazione in cui le particelle entangled possono essere preparate e stabilizzate anche in presenza di rumore sfruttando una simmetria precedentemente sconosciuta nei sistemi quantistici.

I loro risultati, riportato sul giornale Lettere di revisione fisica , aprire una nuova finestra sul misterioso mondo quantistico che potrebbe rivoluzionare la tecnologia futura preservando gli effetti quantistici in ambienti rumorosi, che è il singolo più grande ostacolo per lo sviluppo di tale tecnologia. Sfruttare questa capacità sarà al centro dei computer quantistici ultraveloci.

I sistemi quantistici sono costruiti sul comportamento peculiare delle particelle a livello atomico e potrebbero rivoluzionare il modo in cui vengono eseguiti calcoli complessi. Mentre un normale bit di computer è un interruttore elettrico che può essere impostato su uno o zero, un bit quantico, o qubit, può essere impostato su uno, zero, o entrambi contemporaneamente. Per di più, quando due qubit sono entangled, un'operazione su uno colpisce immediatamente l'altro, non importa quanto siano distanti. Questo doppio stato è ciò che dà potenza a un computer quantistico. Un computer costruito con qubit entangled anziché bit normali potrebbe eseguire calcoli ben oltre le capacità anche dei supercomputer più potenti.

"Però, i qubit sono cose estremamente pignoli, e il più piccolo rumore nel loro ambiente può causare la rottura del loro groviglio, " ha detto il dottor Shovan Dutta del Cavendish Laboratory di Cambridge, il primo autore dell'articolo. "Fino a quando non troveremo un modo per rendere i sistemi quantistici più robusti, le loro applicazioni nel mondo reale saranno limitate".

Diverse società, in particolare, IBM e Google:hanno sviluppato computer quantistici funzionanti, sebbene finora questi siano stati limitati a meno di 100 qubit. Richiedono un isolamento quasi totale dal rumore, e anche allora, hanno tempi di vita molto brevi di pochi microsecondi. Entrambe le società hanno in programma di sviluppare computer quantistici da 1000 qubit entro i prossimi anni, anche se, a meno che non vengano superati i problemi di stabilità, i computer quantistici non raggiungeranno l'uso pratico.

Ora, Dutta e il suo coautore, il professor Nigel Cooper, hanno scoperto un robusto sistema quantistico in cui più coppie di qubit rimangono impigliate anche con molto rumore.

Hanno modellato un sistema atomico in una formazione reticolare, dove gli atomi interagiscono fortemente tra loro, saltellando da un punto all'altro del reticolo. Gli autori hanno scoperto che se il rumore veniva aggiunto nel mezzo del reticolo, non ha influenzato le particelle impigliate tra i lati sinistro e destro. Questa caratteristica sorprendente deriva da un tipo speciale di simmetria che conserva il numero di tali coppie entangled.

"Non ci aspettavamo affatto questo tipo di entanglement stabilizzato, " disse Dutta. "Ci siamo imbattuti in questa simmetria nascosta, cosa molto rara in questi sistemi rumorosi."

Hanno mostrato che questa simmetria nascosta protegge le coppie entangled e consente di controllare il loro numero da zero a un valore massimo elevato. Conclusioni simili possono essere applicate a un'ampia classe di sistemi fisici e possono essere realizzate con ingredienti già esistenti in piattaforme sperimentali, aprendo la strada all'entanglement controllabile in un ambiente rumoroso.

"I disturbi ambientali incontrollati sono dannosi per la sopravvivenza di effetti quantistici come l'entanglement, ma si può imparare molto progettando deliberatamente tipi specifici di disturbi e vedendo come rispondono le particelle, " disse Dutta. "Abbiamo dimostrato che una semplice forma di disturbo può effettivamente produrre - e preservare - molte coppie intrecciate, che è un grande incentivo per sviluppi sperimentali in questo campo."

I ricercatori sperano di confermare le loro scoperte teoriche con esperimenti entro il prossimo anno.