Il modello di piastrellatura di Penrose è un tipo di quasicristallo, il che significa che ha una struttura ordinata ma mai ripetuta. Il modello, composto da due forme, è una proiezione 2D di un reticolo quadrato 5D. Credito:nessuno
Facendo brillare una sequenza di impulsi laser ispirata ai numeri di Fibonacci sugli atomi all'interno di un computer quantistico, i fisici hanno creato una fase della materia straordinaria e mai vista prima. La fase ha i vantaggi di due dimensioni temporali nonostante ci sia ancora un solo flusso di tempo singolare, riportano i fisici il 20 luglio in Natura .
Questa proprietà strabiliante offre un vantaggio ricercato:le informazioni memorizzate nella fase sono molto più protette dagli errori rispetto alle configurazioni alternative attualmente utilizzate nei computer quantistici. Di conseguenza, le informazioni possono esistere senza essere confuse per molto più tempo, una pietra miliare importante per rendere praticabile il calcolo quantistico, afferma l'autore principale dello studio Philipp Dumitrescu.
L'uso dell'approccio di una dimensione temporale "extra" "è un modo completamente diverso di pensare alle fasi della materia", afferma Dumitrescu, che ha lavorato al progetto come ricercatore presso il Center for Computational Quantum Physics del Flatiron Institute a New York City. "Lavoro su queste idee teoriche da oltre cinque anni e vederle concretizzarsi negli esperimenti è emozionante."
Dumitrescu ha guidato la componente teorica dello studio con Andrew Potter dell'Università della British Columbia a Vancouver, Romain Vasseur dell'Università del Massachusetts, Amherst e Ajesh Kumar dell'Università del Texas ad Austin. Gli esperimenti sono stati condotti su un computer quantistico a Quantinuum a Broomfield, in Colorado, da un team guidato da Brian Neyenhuis.
I cavalli di battaglia del computer quantistico del team sono 10 ioni atomici di un elemento chiamato itterbio. Ogni ione è trattenuto e controllato individualmente da campi elettrici prodotti da una trappola ionica e può essere manipolato o misurato mediante impulsi laser.
Ciascuno di quegli ioni atomici funge da ciò che gli scienziati soprannominano un bit quantistico, o "qubit". Mentre i computer tradizionali quantificano le informazioni in bit (ciascuno rappresenta uno 0 o un 1), i qubit utilizzati dai computer quantistici sfruttano la stranezza della meccanica quantistica per memorizzare ancora più informazioni. Proprio come il gatto di Schrödinger è sia vivo che morto nella sua scatola, un qubit può essere uno 0, un 1 o un mashup, o "sovrapposizione", di entrambi. Quella densità di informazioni extra e il modo in cui i qubit interagiscono tra loro promettono di consentire ai computer quantistici di affrontare problemi di calcolo ben oltre la portata dei computer convenzionali.
C'è un grosso problema, però:proprio come sbirciare nella scatola di Schrödinger sigilla il destino del gatto, così interagisce con un qubit. E quell'interazione non deve nemmeno essere deliberata. "Anche se tieni tutti gli atomi sotto stretto controllo, possono perdere la loro quanticità parlando con il loro ambiente, riscaldandosi o interagendo con le cose in modi che non avevi pianificato", afferma Dumitrescu. "In pratica, i dispositivi sperimentali hanno molte fonti di errore che possono degradare la coerenza dopo pochi impulsi laser."
La sfida, quindi, è rendere i qubit più robusti. Per farlo, i fisici possono usare le "simmetrie", essenzialmente proprietà che reggono al cambiamento. (Un fiocco di neve, ad esempio, ha simmetria rotazionale perché ha lo stesso aspetto quando viene ruotato di 60 gradi.) Un metodo consiste nell'aggiungere la simmetria temporale facendo esplodere gli atomi con impulsi laser ritmici. Questo approccio aiuta, ma Dumitrescu e i suoi collaboratori si chiedevano se potevano andare oltre. Quindi, invece di una sola simmetria temporale, miravano ad aggiungerne due utilizzando impulsi laser ordinati ma non ripetuti.
In questo computer quantistico, i fisici hanno creato una fase della materia mai vista prima che si comporta come se il tempo avesse due dimensioni. La fase potrebbe aiutare a proteggere le informazioni quantistiche dalla distruzione per molto più tempo rispetto ai metodi attuali. Credito:Quantinuum
Il modo migliore per comprendere il loro approccio è considerare qualcos'altro ordinato ma non ripetitivo:i "quasicristalli". Un tipico cristallo ha una struttura regolare e ripetitiva, come gli esagoni in un nido d'ape. Un quasicristallo ha ancora ordine, ma i suoi schemi non si ripetono mai. (La piastrellatura di Penrose ne è un esempio.) Ancora più sbalorditivo è che i quasicristalli sono cristalli di dimensioni superiori proiettati, o schiacciati verso il basso, in dimensioni inferiori. Quelle dimensioni superiori possono anche essere oltre le tre dimensioni dello spazio fisico:una piastrellatura 2D di Penrose, ad esempio, è una fetta proiettata di un reticolo 5-D.
Per i qubit, Dumitrescu, Vasseur e Potter hanno proposto nel 2018 la creazione di un quasicristallo nel tempo piuttosto che nello spazio. Mentre un impulso laser periodico si alternava (A, B, A, B, A, B, ecc.), i ricercatori hanno creato un regime di impulso laser quasi periodico basato sulla sequenza di Fibonacci. In tale sequenza, ogni parte della sequenza è la somma delle due parti precedenti (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA, ecc.). Questa disposizione, proprio come un quasicristallo, è ordinata senza ripetersi. E, simile a un quasicristallo, è un modello 2D schiacciato in un'unica dimensione. Questo appiattimento dimensionale si traduce teoricamente in due simmetrie temporali invece di una sola:il sistema essenzialmente ottiene una simmetria bonus da una dimensione temporale extra inesistente.
Tuttavia, i computer quantistici reali sono sistemi sperimentali incredibilmente complessi, quindi non è stato dimostrato se i vantaggi promessi dalla teoria sarebbero durati nei qubit del mondo reale.
Usando il computer quantistico di Quantinuum, gli sperimentatori hanno messo alla prova la teoria. Hanno pulsato luce laser sui qubit del computer sia periodicamente che utilizzando la sequenza basata sui numeri di Fibonacci. L'attenzione era concentrata sui qubit alle due estremità della formazione a 10 atomi; è qui che i ricercatori si aspettavano di vedere la nuova fase della materia sperimentare due simmetrie temporali contemporaneamente. Nel test periodico, i qubit edge sono rimasti quantici per circa 1,5 secondi, una lunghezza già impressionante dato che i qubit interagivano fortemente tra loro. Con il modello quasi periodico, i qubit sono rimasti quantici per l'intera durata dell'esperimento, circa 5,5 secondi. Questo perché la simmetria dei tempi supplementari ha fornito maggiore protezione, afferma Dumitrescu.
"Con questa sequenza quasi periodica, c'è un'evoluzione complicata che cancella tutti gli errori che vivono al limite", dice. "Per questo motivo, il bordo rimane coerente dalla meccanica quantistica molto, molto più a lungo di quanto ti aspetteresti."
Sebbene i risultati dimostrino che la nuova fase della materia può fungere da archiviazione di informazioni quantistiche a lungo termine, i ricercatori devono ancora integrare funzionalmente la fase con il lato computazionale dell'informatica quantistica. "Abbiamo questa applicazione diretta e allettante, ma dobbiamo trovare un modo per agganciarla ai calcoli", afferma Dumitrescu. "Questo è un problema aperto su cui stiamo lavorando". + Esplora ulteriormente
