Un team di teorici quantistici che cercava di risolvere un problema di base con i computer di ricottura quantistica (devono funzionare a un ritmo relativamente lento per funzionare correttamente) ha trovato invece qualcosa di intrigante. Mentre si sondano le prestazioni dei ricottori quantistici quando vengono utilizzati più velocemente di quanto desiderato, il team ha scoperto inaspettatamente un nuovo effetto che potrebbe spiegare la distribuzione squilibrata di materia e antimateria nell'universo e un nuovo approccio alla separazione degli isotopi.

"Anche se la nostra scoperta non ha curato la limitazione del tempo di ricottura, ha portato una classe di nuovi problemi di fisica che ora possono essere studiati con i ricottori quantistici senza richiedere che siano troppo lenti, " ha detto Nikolai Sinitsyn, un fisico teorico al Los Alamos National Laboratory. Sinitsyn è autore del documento pubblicato il 19 febbraio in Lettere di revisione fisica , con i coautori Bin Yan e Wojciech Zurek, entrambi anche di Los Alamos, e Vladimir Chernyak della Wayne State University.

In modo significativo, questa scoperta suggerisce come almeno due famosi problemi scientifici possano essere risolti in futuro. Il primo è l'apparente asimmetria tra materia e antimateria nell'universo.

"Riteniamo che piccole modifiche ai recenti esperimenti con la ricottura quantistica di qubit interagenti fatti di atomi ultrafreddi attraverso le transizioni di fase saranno sufficienti per dimostrare il nostro effetto, " Ha detto Sinitsyn.

Spiegare la discrepanza materia/antimateria

Sia la materia che l'antimateria sono il risultato delle eccitazioni energetiche prodotte alla nascita dell'universo. La simmetria tra il modo in cui la materia e l'antimateria interagiscono era rotta ma molto debole. Non è ancora del tutto chiaro come questa sottile differenza possa portare al grande dominio osservato della materia rispetto all'antimateria su scala cosmologica.

L'effetto appena scoperto dimostra che tale asimmetria è fisicamente possibile. Succede quando un grande sistema quantistico passa attraverso una transizione di fase, questo è, un riarrangiamento molto netto dello stato quantistico. In tali circostanze, interazioni forti ma simmetriche si compensano approssimativamente a vicenda. poi sottile, differenze persistenti possono giocare un ruolo decisivo.

Rendere i ricottori quantistici abbastanza lenti

I computer di ricottura quantistica sono costruiti per risolvere problemi di ottimizzazione complessi associando le variabili a stati quantistici o qubit. A differenza dei bit binari di un computer classico, che può essere solo in uno stato, o valore, di 0 o 1, i qubit possono trovarsi in una sovrapposizione quantistica di valori intermedi. È da lì che tutti i computer quantistici traggono il loro fantastico, se ancora largamente non sfruttato, poteri.

In un computer di ricottura quantistica, i qubit vengono inizialmente preparati in un semplice stato di energia più bassa applicando un forte campo magnetico esterno. Questo campo viene quindi spento lentamente, mentre le interazioni tra i qubit vengono attivate lentamente.

"Idealmente un ricottore funziona abbastanza lentamente da funzionare con errori minimi, ma a causa della decoerenza, bisogna far funzionare la ricottura più velocemente, " ha spiegato Yan. Il team ha studiato l'effetto emergente quando i ricotti vengono azionati a una velocità maggiore, che li limita a un tempo di funzionamento finito.

"Secondo il teorema adiabatico in meccanica quantistica, se tutti i cambiamenti sono molto lenti, cosiddetto adiabaticamente lento, quindi i qubit devono rimanere sempre nel loro stato di energia più bassa, " ha detto Sinitsyn. "Quindi, quando finalmente li misuriamo, troviamo la configurazione desiderata di 0 e 1 che minimizza la funzione di interesse, che sarebbe impossibile ottenere con un computer classico moderno."

Zoppicato dalla decoerenza

Però, ricottori quantistici attualmente disponibili, come tutti i computer quantistici finora, sono ostacolati dalle interazioni dei loro qubit con l'ambiente circostante, che provoca decoerenza. Tali interazioni limitano il comportamento puramente quantistico dei qubit a circa un milionesimo di secondo. In quel lasso di tempo, i calcoli devono essere veloci, non adiabatici, e le eccitazioni energetiche indesiderate alterano lo stato quantico, introducendo inevitabili errori di calcolo.

La teoria di Kibble-Zurek, co-sviluppato da Wojciech Zurek, prevede che la maggior parte degli errori si verifica quando i qubit incontrano una transizione di fase, questo è, un riarrangiamento molto netto del loro stato quantistico collettivo.

Per questa carta, il team ha studiato un modello risolvibile noto in cui qubit identici interagiscono solo con i loro vicini lungo una catena; il modello verifica analiticamente la teoria di Kibble-Zurek. Nella ricerca dei teorici per curare il tempo di funzionamento limitato nei computer di ricottura quantistica, hanno aumentato la complessità di quel modello assumendo che i qubit potessero essere suddivisi in due gruppi con interazioni identiche all'interno di ciascun gruppo ma interazioni leggermente diverse per i qubit dei diversi gruppi.

In una tale miscela, scoprirono un effetto insolito:un gruppo produceva ancora una grande quantità di eccitazioni energetiche durante il passaggio attraverso una transizione di fase, ma l'altro gruppo è rimasto nel minimo energetico come se il sistema non avesse affatto sperimentato una transizione di fase.

"Il modello che abbiamo usato è altamente simmetrico per essere risolvibile, e abbiamo trovato un modo per estendere il modello, rompendo questa simmetria e ancora risolvendola, "Spiega Sinitsyn. "Poi abbiamo scoperto che la teoria di Kibble-Zurek è sopravvissuta ma con una svolta:metà dei qubit non ha dissipato energia e si è comportata 'bene'. In altre parole, hanno mantenuto i loro stati fondamentali."

Sfortunatamente, l'altra metà dei qubit ha prodotto molti errori di calcolo, quindi, nessuna cura finora per un passaggio attraverso una transizione di fase nei computer di ricottura quantistica.

Un nuovo modo per separare gli isotopi

Un altro problema di vecchia data che può beneficiare di questo effetto è la separazione degli isotopi. Ad esempio, l'uranio naturale spesso deve essere separato negli isotopi arricchiti e impoveriti, quindi l'uranio arricchito può essere utilizzato per l'energia nucleare o per scopi di sicurezza nazionale. L'attuale processo di separazione è costoso e richiede molta energia. L'effetto scoperto significa che facendo passare dinamicamente una miscela di atomi ultrafreddi interagenti attraverso una transizione di fase quantistica, diversi isotopi possono essere eccitati o meno selettivamente e quindi separati utilizzando la tecnica di deflessione magnetica disponibile.