Scienziati di tutto il mondo stanno sviluppando nuovo hardware per computer quantistici, un nuovo tipo di dispositivo che potrebbe accelerare la progettazione di farmaci, modellazione finanziaria, e previsione del tempo. Questi computer si basano su qubit, bit di materia che possono rappresentare una combinazione di 1 e 0 contemporaneamente. Il problema è che i qubit sono volubili, degradandosi in bit regolari quando le interazioni con la materia circostante interferiscono. Ma una nuova ricerca al MIT suggerisce un modo per proteggere i loro stati, utilizzando un fenomeno chiamato localizzazione a molti corpi (MBL).

MBL è una fase peculiare della materia, proposto decenni fa, che è diverso da solido o liquido. Tipicamente, la materia raggiunge l'equilibrio termico con il suo ambiente. Ecco perché la zuppa si raffredda e i cubetti di ghiaccio si sciolgono. Ma in MBL, un oggetto costituito da molti corpi fortemente interagenti, come gli atomi, non raggiunge mai un tale equilibrio. Calore, come il suono, consiste di vibrazioni atomiche collettive e può viaggiare in onde; un oggetto ha sempre tali ondate di calore internamente. Ma quando c'è abbastanza disordine e abbastanza interazione nel modo in cui i suoi atomi sono disposti, le onde possono rimanere intrappolate, impedendo così all'oggetto di raggiungere l'equilibrio.

MBL era stato dimostrato in "reticoli ottici, " disposizioni di atomi a temperature molto fredde mantenute in posizione utilizzando laser. Ma tali configurazioni sono poco pratiche. L'MBL è stato probabilmente mostrato anche in sistemi solidi, ma solo con dinamiche temporali molto lente, in cui l'esistenza della fase è difficile da dimostrare perché l'equilibrio potrebbe essere raggiunto se i ricercatori potessero aspettare abbastanza a lungo. La ricerca del MIT ha trovato le firme di MBL in un sistema "a stato solido" - uno fatto di semiconduttori - che altrimenti avrebbe raggiunto l'equilibrio nel tempo in cui è stato guardato.

"Potrebbe aprire un nuovo capitolo nello studio della dinamica quantistica, "dice Rahul Nandkishore, un fisico all'Università del Colorado a Boulder, chi non era coinvolto nell'opera.

Mingda Li, il Norman C Rasmussen Assistant Professor Nuclear Science and Engineering al MIT, ha condotto il nuovo studio, pubblicato in un recente numero di Nano lettere . I ricercatori hanno costruito un sistema contenente strati di semiconduttori alternati, creando una lasagna microscopica:arseniuro di alluminio, seguito da arseniuro di gallio, e così via, per 600 strati, ciascuno 3 nanometri (milionesimi di millimetro) di spessore. Tra gli strati hanno disperso "nanodoti, " Particelle a 2 nanometri di arseniuro di erbio, creare disordine. le lasagne, o "superlattice, " è venuto in tre ricette:una senza nanopunti, uno in cui i nanopunti coprivano l'8% dell'area di ogni strato, e uno in cui coprivano il 25%.

Secondo Li, il team ha utilizzato strati di materiale, invece di un materiale sfuso, per semplificare il sistema in modo che la dissipazione del calore attraverso i piani fosse essenzialmente unidimensionale. E hanno usato nanopunti, invece di semplici impurità chimiche, per aumentare il disordine.

Per misurare se questi sistemi disordinati sono ancora in equilibrio, i ricercatori li hanno misurati con i raggi X. Utilizzando l'Advanced Photon Source presso l'Argonne National Lab, hanno sparato fasci di radiazioni a un'energia superiore a 20, 000 elettronvolt, e per risolvere la differenza di energia tra il raggio X in arrivo e dopo la sua riflessione sulla superficie del campione, con una risoluzione energetica inferiore a un millesimo di elettronvolt. Per evitare di penetrare nel superreticolo e di urtare il substrato sottostante, l'hanno girato con un angolo di appena mezzo grado dal parallelo.

Proprio come la luce può essere misurata come onde o particelle, così anche può riscaldare. La vibrazione atomica collettiva per il calore sotto forma di unità che trasporta calore è chiamata fonone. I raggi X interagiscono con questi fononi, e misurando come i raggi X si riflettono sul campione, gli sperimentatori possono determinare se è in equilibrio.

I ricercatori hanno scoperto che quando il superreticolo era freddo - 30 kelvin, circa -400 gradi Fahrenheit e conteneva nanopunti, i suoi fononi rimasti a certe frequenze non erano in equilibrio.

Resta ancora del lavoro per dimostrare in modo conclusivo che MBL è stato raggiunto, ma "questa nuova fase quantistica può aprire una piattaforma completamente nuova per esplorare i fenomeni quantistici, "Li dice, "con molte potenziali applicazioni, dall'accumulo termico all'informatica quantistica".

Per creare qubit, alcuni computer quantistici utilizzano granelli di materia chiamati punti quantici. Li dice che punti quantici simili ai nanopunti di Li potrebbero agire come qubit. I magneti potrebbero leggere o scrivere i loro stati quantistici, mentre la localizzazione a molti corpi li manterrebbe isolati dal calore e da altri fattori ambientali.

In termini di accumulo termico, un tale superreticolo potrebbe entrare e uscire da una fase MBL controllando magneticamente i nanopunti. Potrebbe isolare le parti del computer dal calore in un momento, quindi consentire alle parti di disperdere il calore quando non causerà danni. Oppure potrebbe consentire l'accumulo di calore ed essere sfruttato in seguito per generare elettricità.

convenientemente, i superreticoli con nanopunti possono essere costruiti utilizzando tecniche tradizionali per la fabbricazione di semiconduttori, insieme ad altri elementi di chip per computer. Secondo Li, "È uno spazio di progettazione molto più ampio rispetto al doping chimico, e ci sono numerose applicazioni."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.