Esistono idee diverse su come potrebbero essere costruiti i computer quantistici. Ma hanno tutti una cosa in comune:si utilizza un sistema fisico quantistico, ad esempio i singoli atomi, e si cambia il loro stato esponendoli a forze molto specifiche per un tempo specifico. Tuttavia, ciò significa che per poter fare affidamento sul fatto che l'operazione di calcolo quantistico fornisca il risultato corretto, è necessario un orologio il più preciso possibile.
Ma qui si incontrano problemi:la misurazione perfetta del tempo è impossibile. Ogni orologio possiede due proprietà fondamentali:una certa precisione e una certa risoluzione temporale. La risoluzione temporale indica quanto piccoli sono gli intervalli di tempo che possono essere misurati, ovvero quanto velocemente scorre l'orologio. La precisione ti dice quanta imprecisione devi aspettarti da ogni singolo tick.
Il gruppo di ricerca è riuscito a dimostrare che, poiché nessun orologio ha una quantità infinita di energia disponibile (o genera una quantità infinita di entropia), non potrà mai avere una risoluzione perfetta e una precisione perfetta allo stesso tempo. Ciò pone limiti fondamentali alle possibilità dei computer quantistici.
Nel nostro mondo classico, le operazioni aritmetiche perfette non sono un problema. Ad esempio, puoi usare un abaco in cui le palline di legno vengono infilate su un bastoncino e spinte avanti e indietro. Le perline di legno hanno stati chiari, ognuna si trova in un posto molto specifico, se non fai nulla la perlina rimarrà esattamente dov'era.
E se muovi la perlina velocemente o lentamente non influisce sul risultato. Ma nella fisica quantistica è più complicato.
"Matematicamente parlando, il cambiamento di uno stato quantistico in un computer quantistico corrisponde a una rotazione in dimensioni più elevate", afferma Jake Xuereb dell'Atomic Institute dell'Università di Tecnologia di Vienna nel team di Marcus Huber e primo autore del primo articolo pubblicato in Lettere di revisione fisica . "Per raggiungere alla fine lo stato desiderato, la rotazione deve essere applicata per un periodo di tempo molto specifico. Altrimenti, lo stato diventa troppo breve o troppo lontano."
Marcus Huber e il suo team hanno indagato in generale quali leggi devono sempre applicarsi a ogni orologio immaginabile. "La misurazione del tempo ha sempre a che fare con l'entropia", spiega Marcus Huber. In ogni sistema fisico chiuso l'entropia aumenta e diventa sempre più disordinato. È proprio questo sviluppo che determina la direzione del tempo:il futuro è dove l'entropia è più alta, e il passato è dove l'entropia è ancora più bassa.
Come si può dimostrare, ogni misurazione del tempo è inevitabilmente associata a un aumento dell’entropia:un orologio, ad esempio, ha bisogno di una batteria, la cui energia viene infine convertita in calore da attrito e ticchettio udibile attraverso la meccanica dell’orologio – un processo in cui quando si verifica uno stato abbastanza ordinato, la batteria viene convertita in uno stato piuttosto disordinato di radiazione termica e suono.
Su questa base il gruppo di ricerca è riuscito a creare un modello matematico al quale praticamente ogni orologio immaginabile deve obbedire. "Per un dato aumento di entropia, esiste un compromesso tra risoluzione temporale e precisione", afferma Florian Meier, primo autore del secondo articolo, ora pubblicato su arXiv server di prestampa. "Ciò significa:o l'orologio funziona velocemente oppure funziona con precisione:entrambe le cose non sono possibili contemporaneamente."
Questa consapevolezza ora porta con sé un limite naturale per i computer quantistici:la risoluzione e la precisione che possono essere raggiunte con gli orologi limitano la velocità e l’affidabilità che possono essere raggiunte con i computer quantistici. "Per il momento non è un problema", spiega Huber.
"Attualmente, la precisione dei computer quantistici è ancora limitata da altri fattori, ad esempio dalla precisione dei componenti utilizzati o dai campi elettromagnetici. Ma i nostri calcoli mostrano anche che oggi non siamo lontani dal regime in cui i limiti fondamentali della misurazione del tempo svolgono il ruolo decisivo."
Pertanto, se la tecnologia di elaborazione dell’informazione quantistica viene ulteriormente migliorata, si dovrà inevitabilmente affrontare il problema della misurazione del tempo non ottimale. Ma chi lo sa:forse è proprio così che possiamo imparare qualcosa di interessante sul mondo quantistico.
Ulteriori informazioni: Florian Meier et al, Compromesso fondamentale tra precisione e risoluzione per i dispositivi di cronometraggio, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2301.05173
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica , arXiv
Fornito dall'Università della Tecnologia di Vienna
