Utilizzando un computer di ricottura quantistica D-Wave come banco di prova, gli scienziati del Los Alamos National Laboratory hanno dimostrato che è possibile isolare i cosiddetti monopoli magnetici emergenti, una classe di quasiparticelle, creando un nuovo approccio allo sviluppo di "materiali di design".

"Volevamo studiare i monopoli magnetici emergenti sfruttando le dinamiche collettive dei qubit, "ha detto Cristiano Nisoli, uno dei principali autori di Los Alamos dello studio. "Monopoli magnetici, come particelle elementari con un solo polo magnetico, sono state ipotizzate da molti, e famoso di Dirac, ma finora si sono rivelati sfuggenti".

Hanno realizzato uno spin ice artificiale utilizzando i qubit superconduttori della macchina quantistica come blocchi magnetici. La generazione di materiali magnetici con proprietà esotiche in questo modo è rivoluzionaria sotto molti aspetti. Il loro processo utilizzava la legge di Gauss per intrappolare i monopoli, permettendo agli scienziati di osservare la loro dinamica quantistica e la loro interazione reciproca. Questo lavoro dimostra inequivocabilmente che i monopoli magnetici non solo possono emergere da una struttura di spin sottostante, ma può essere controllato, isolato e studiato con precisione.

"Nell'ultimo decennio o giù di lì è stato dimostrato che i monopoli possono emergere come quasiparticelle per descrivere gli spin ice di eccitazione di varie geometrie. In precedenza, l'impianto di campo pulsato del National High Magnetic Field Laboratory qui a Los Alamos è stato in grado di "ascoltare" il rumore monopolare negli spin ice artificiali. E adesso, utilizzando un sistema di ricottura quantistica D-Wave, abbiamo abbastanza controllo per intrappolare effettivamente una o più di queste particelle e studiarle individualmente. Li abbiamo visti andare in giro, essere inchiodato, ed essendo creato e annientato in coppie di carica magnetica opposta. E potremmo così confermare le nostre previsioni teoriche quantitative, che interagiscono e di fatto si schermano a vicenda, " disse Nisoli.

"I processori D-Wave sono progettati per eccellere nell'ottimizzazione, ma possono anche essere usati come simulatori quantistici. Programmando le interazioni desiderate del nostro materiale magnetico nei qubit di D-Wave, possiamo eseguire esperimenti altrimenti estremamente difficili, " disse Andrew King, direttore di Performance Research presso D-Wave e autore del documento. "Questa collaborazione, il lavoro di prova del principio dimostra nuove capacità sperimentali, migliorare la potenza e la versatilità degli studi sul ghiaccio artificiale. La capacità di manipolare programmaticamente quasiparticelle emergenti può diventare un aspetto chiave per l'ingegneria dei materiali e persino per l'informatica quantistica topologica; speriamo che sia fondamentale per la ricerca futura."

Nisoli ha aggiunto, "Abbiamo solo scalfito la superficie di questo approccio. I precedenti sistemi di spin ice artificiale erano realizzati con nanomagneti, e obbedivano alla fisica classica. Questa realizzazione è invece del tutto quantistica. Per evitare salti mortali ci siamo concentrati finora su uno studio quasi classico, ma in futuro, possiamo davvero aumentare quelle fluttuazioni quantistiche, e indagare questioni molto attuali di decoerenza, memoria, informazioni quantistiche, e ordine topologico, con importanti implicazioni tecnologiche".

"Questi risultati hanno anche conseguenze tecnologiche particolarmente rilevanti per DOE e Los Alamos, in particolare nell'idea di material-by-design, per produrre futuri nanomagneti che potrebbero mostrare funzionalità avanzate e desiderabili per il rilevamento e il calcolo. Monopoli, come vettori di informazioni binarie, può essere rilevante per la spintronica. Contribuiscono inoltre in modo significativo agli investimenti di Los Alamos D-Wave, " ha osservato Alejandro Lopez- Bezanilla di Los Alamos, che lavora sul processore D-Wave e ha riunito il team.

Nisoli, Inoltre, suggerisce che, oltre ad applicazioni fruttuose, questi risultati potrebbero forse anche fornire spunti di riflessione alla fisica fondamentale. "Le nostre teorie fondamentali delle particelle sono modelli parametrizzati. Ci si chiede:che cos'è una particella? Mostriamo qui sperimentalmente che non solo le particelle, ma anche le loro interazioni a lungo raggio possono essere più alte descrizione a livello di una struttura sottostante molto semplice, uno solo accoppiato ai vicini più prossimi. Potrebbero anche le particelle e le interazioni "reali" che consideriamo fondamentali, come leptoni e quark, invece essere interpretata come emergente, descrizione di livello superiore di un substrato binario di livello inferiore più complesso, proprio come i nostri monopoli che emergono da un mucchio di qubit?"