I fisici sospettano da tempo che i materiali dielettrici possano disturbare in modo significativo i computer quantistici a trappola ionica. Ora, i ricercatori guidati da Tracy Northup hanno sviluppato per la prima volta un nuovo metodo per quantificare questa fonte di errore. Per il futuro funzionamento dei computer quantistici con moltissimi bit quantistici, tali fonti di rumore devono essere eliminate, se possibile, già durante il processo di progettazione.

Le tecnologie quantistiche si basano sulle proprietà quantistiche della luce, elettroni, e atomi. Negli ultimi decenni, gli scienziati hanno imparato a padroneggiare questi fenomeni ea sfruttarli nelle applicazioni. Così, anche la costruzione di un computer quantistico per applicazioni commerciali è prossima. Una delle tecnologie emergenti attualmente avanzate con grande successo sono i computer quantistici a trappola ionica. Qui, le particelle cariche sono intrappolate con campi elettromagnetici in una camera a vuoto e preparate in modo tale da poter fungere da portatori di informazioni ed essere utilizzate per il calcolo, che include il loro raffreddamento alle temperature più basse consentite dalla meccanica quantistica.

Però, le proprietà quantomeccaniche sfruttate in questo processo sono altamente soggette a errori. Anche le più piccole carenze possono riscaldare le particelle fortemente raffreddate e quindi portare a errori nell'elaborazione delle informazioni quantistiche. Le possibili fonti di tali guasti sono materiali debolmente conduttivi o non conduttori, che vengono utilizzati, Per esempio, come isolanti in una trappola ionica metallica, o ottica, che sono necessari per accoppiare gli ioni con la luce laser.

"Anche per le trappole ioniche realizzate esclusivamente in metallo, strati di ossido sui metalli causerebbero tali guasti, " spiega Tracy Northup presso il Dipartimento di Fisica Sperimentale dell'Università di Innsbruck in Austria. Il team di Northup, insieme a collaboratori a Innsbruck e negli Stati Uniti, hanno trovato un modo per determinare l'influenza dei materiali dielettrici sulle particelle cariche nelle trappole ioniche.

Confermato sperimentalmente

Ciò è stato ottenuto perché i fisici quantistici di Innsbruck dispongono di una trappola ionica in cui possono impostare con precisione la distanza tra gli ioni e l'ottica dielettrica. Sulla base di una precedente proposta del gruppo di Rainer Blatt, i fisici hanno calcolato la quantità di rumore causato dal materiale dielettrico per questa trappola ionica e l'hanno confrontata con i dati dell'esperimento. "Teoria ed esperimento concordano molto bene, confermando che questo metodo è adatto per determinare l'influenza dei materiali dielettrici sugli ioni, " spiega Markus Teller del team di Innsbruck. Per calcolare il rumore, è stato utilizzato il cosiddetto teorema di fluttuazione-dissipazione della fisica statistica, che descrive matematicamente la risposta di un sistema in equilibrio termico ad una piccola perturbazione esterna.

"Nei computer quantistici, ci sono molte possibili fonti di rumore, ed è molto difficile individuare le fonti esatte, " afferma Tracy Northup. "Il nostro metodo è il primo a quantificare l'influenza dei materiali dielettrici in una data trappola ionica sulle particelle cariche. Nel futuro, i progettisti di computer quantistici a trappola ionica saranno in grado di valutare questo effetto in modo molto più accurato e progettare i loro dispositivi per ridurre al minimo queste perturbazioni".

Dopo aver dimostrato con successo il metodo sulla propria trappola ionica, i fisici di Innsbruck ora vogliono applicarlo alle trappole ioniche dei collaboratori negli Stati Uniti e in Svizzera.