L'informatica quantistica potrebbe risolvere problemi difficili per i sistemi informatici tradizionali. Può sembrare magia. Un passo verso il raggiungimento del calcolo quantistico assomiglia persino al trucco di un mago:la levitazione. Un nuovo progetto presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti tenterà questo trucco facendo levitare una particella microscopica in una cavità a radiofrequenza superconduttiva (SRF) per osservare i fenomeni quantistici.

Tipicamente al Jefferson Lab e ad altre strutture di acceleratori di particelle, Le cavità SRF consentono studi del nucleo dell'atomo. Lo fanno accelerando le particelle subatomiche, come gli elettroni. Questo progetto utilizzerà lo stesso tipo di cavità per far levitare invece una microscopica particella di metallo, tra 1 e 100 micrometri di diametro, con il campo elettrico della cavità.

"Nessuno ha mai sospeso intenzionalmente una particella in un campo elettrico nel vuoto usando cavità SRF, " ha detto Drew Weisenberger, un investigatore principale di questo progetto, nonché chief technology officer e capo del Radiation Detector and Imaging Group nella divisione di fisica nucleare sperimentale presso Jefferson Lab.

Se il team di progetto è in grado di far levitare una particella, potrebbero quindi essere in grado di impartirgli uno stato quantico raffreddando la particella intrappolata al suo livello di energia più basso possibile (perché è lì che si verificano le proprietà quantistiche).

"Memorizzare informazioni quantistiche su una nanoparticella levitata è il nostro obiettivo finale, ma per ora, è un esperimento di prova di principio, " disse Pashupati Dhakal, un altro investigatore principale del progetto e uno scienziato dello staff del Jefferson Lab nelle operazioni di accelerazione, Divisione Ricerca e Sviluppo. "Vogliamo sapere se possiamo intrappolare e far levitare le particelle all'interno della cavità usando il campo elettrico".

Esplorare il quanto con le cavità dell'acceleratore

L'idea per questo progetto è nata dalle osservazioni di esperti di acceleratori. Pensano di aver già involontariamente levitato nanoparticelle di metallo indesiderate e rare, come niobio e ferro, all'interno delle cavità SRF durante le operazioni con l'acceleratore di particelle. Sospettano che questa levitazione involontaria abbia avuto un impatto sulle prestazioni dei componenti della cavità SRF.

I ricercatori stanno tentando di utilizzare una tecnica vecchia di decenni chiamata "intrappolamento laser, " come un passo verso l'impartizione affidabile di uno stato quantico su una particella sospesa in un raggio laser. Ma, il team del progetto Jefferson Lab pensa che le cavità SRF possano fornire uno strumento migliore per quei ricercatori.

"Un campo elettrico potrebbe andare potenzialmente oltre le capacità di intrappolamento laser, "Ha detto Weisenberger.

Le caratteristiche intrinseche delle cavità SRF supereranno alcuni limiti dell'intrappolamento laser. Una particella levitata in una cavità SRF che è sotto vuoto e raffreddata a temperature super fredde interagirà solo con il campo elettrico della cavità e non perderà informazioni all'esterno, che è importante per mantenere uno stato quantico.

"Come memorizzare informazioni su un chip di computer, lo stato quantico rimarrà e non si dissiperà, "Ha detto Weisenberger. "E questo potrebbe eventualmente portare ad applicazioni nel calcolo quantistico e nelle comunicazioni quantistiche".

Questo progetto, intitolato "Esperimento di levitazione e intrappolamento di nanoparticelle SRF, " è finanziato dal programma Laboratory Directed Research &Development, che fornisce risorse al personale di Jefferson Lab per apportare contributi rapidi e significativi a problemi scientifici e tecnologici critici rilevanti per la missione di Jefferson Lab e del DOE.

Un approccio multidisciplinare

Il progetto è stato ideato e lanciato da Rongli Geng nell'ottobre 2020 prima di passare all'Oak Ridge National Laboratory. Ora è passato a un team più ampio e multidisciplinare guidato da Weisenberger e Dhakal, gli attuali co-investigatori principali.

Il team di Weisenberger ricerca la tecnologia dei rivelatori per la ricerca sulla fisica nucleare, mentre il lavoro di Dhakal si concentra sullo sviluppo di cavità SRF per accelerare gli elettroni ad alta velocità. Weisenberger afferma che l'approccio multidisciplinare unirà le loro competenze mentre si diramano insieme nel territorio meno familiare di questo progetto LDRD.

Entrambi i principali ricercatori osservano che il progetto sta procedendo bene, grazie alla diligenza e alla competenza fornite da ogni membro del team. I membri del team includono John Musson, Frank Marhauser, Haipeng Wang, Wenze Xi, Brian Kross e Jack McKisson.

"È un passo interessante al di fuori delle solite cose che facciamo, "Ha detto Weisenberger. "Il programma LDRD lascia liberi scienziati e ingegneri del Jefferson Lab su una domanda di ricerca che non è direttamente correlata a ciò per cui siamo effettivamente assunti, ma sta facendo uso di tutte le competenze che portiamo ed è una grande risorsa da attingere per cercare di allungare. Questo è quello che stiamo facendo con questo progetto, allungamento."

Costruzione e test

Prima di ribaltare il progetto sul Weisenberger e sul Dhakal, Geng ei suoi colleghi avevano determinato i parametri richiesti della cavità e del campo elettrico con simulazioni e calcoli.

"Abbiamo tutto sulla carta ma dobbiamo trasformarlo in realtà, "Dhakal ha detto.

Il team sta attualmente allestendo l'esperimento nella vita reale.

"Dobbiamo vedere se ciò che è stato simulato può effettivamente accadere, "Ha detto Weisenberger.

Primo, assembleranno un modello dell'esperimento a temperatura ambiente. Quindi, faranno circolare elio liquido attorno alle superfici esterne della cavità per raffreddarla a temperature superconduttive prossime allo zero assoluto.

Poi viene la parte più difficile. Devono ottenere una singola particella microscopica nella regione corretta della cavità mentre la cavità è rinchiusa all'interno di un recipiente di contenimento a temperature superconduttive, sotto vuoto, e con il campo elettrico attivo.

"Abbiamo trovato un modo per lanciare a distanza una particella nella cavità in condizioni sperimentali, non ci resta che provarlo ora, " Weisenberger ha detto. "Nel mondo della ricerca e dello sviluppo, spesso non puoi fare quello che pensavi di poter fare. Proviamo e testiamo e incontriamo problemi, prova a risolvere i problemi, e vai avanti".

Si tratta di un progetto della durata di un anno con la possibilità di un altro anno di finanziamento, a seconda di come vanno le cose. È anche una fase iniziale, progetto di prova di principio. Se alla fine ha successo, ci sarebbe ancora una lunga strada di ricerca e sviluppo prima che i concetti possano essere applicati alla costruzione di computer quantistici. Tali computer richiederebbero la levitazione e l'impartizione di stati quantistici su decine, centinaia o migliaia di particelle molto più piccole in modo prevedibile e affidabile.

Ancora, i ricercatori stanno aspettando con impazienza le scoperte che sperano che questo studio consentirà per quanto riguarda la levitazione delle particelle microscopiche e la potenziale osservazione di uno stato quantistico.

"Sono ottimista, "Dhakal ha detto. "In ogni caso, scopriremo qualcosa. Il fallimento fa parte della ricerca e sviluppo tanto quanto il successo. Impari da entrambi. Fondamentalmente, se la particella levita o no, o se possiamo impartirgli lo stato quantico o no, è qualcosa che non è mai stato fatto prima. È molto impegnativo ed emozionante".