Migliorare la simulazione quantistica bidimensionale
Il nostro mondo, a livello dei singoli costituenti della materia, è governato dalla meccanica quantistica. In questo contesto, il campo della fisica quantistica a molti corpi studia le interazioni delle particelle tra loro in base a queste leggi. Questi sistemi comprendono, ad esempio, le interazioni tra particelle magnetiche in un solido. Sebbene gli scienziati conoscano le equazioni di base che descrivono queste interazioni, analizzarle nel dettaglio è impegnativo, e simularle esattamente, anche su supercomputer, è impossibile. La simulazione quantistica si avvale di sistemi sperimentali ben controllati per approfondire questa complessa area della fisica. Questi simulatori codificano le informazioni in una serie di sistemi quantistici noti come qubit, che richiedono un notevole controllo sui singoli atomi. Il progetto SPICY(si apre in una nuova finestra), finanziato dal Consiglio europeo della ricerca(si apre in una nuova finestra), ha progettato e sviluppato un nuovo simulatore quantistico per esplorare e studiare la dinamica di problemi a molte particelle. Il dispositivo è un simulatore quantistico a 100 particelle, in grado di esaminare le interazioni tra le particelle in due dimensioni, anziché in una sola. «Questo apre la possibilità di studiare alcuni fenomeni di fisica quantistica a molti corpi, che a livello di 100 particelle sono già fuori dalla portata dei metodi numerici esatti», spiega Christian Roos(si apre in una nuova finestra), scienziato senior presso l’Istituto per l’ottica quantistica e l’informazione quantistica dell’Università di Innsbruck(si apre in una nuova finestra) e ricercatore principale del progetto SPICY.
Costruire un sistema bidimensionale
Il team aveva due motivazioni per sviluppare il sistema bidimensionale: scalare a un numero maggiore di particelle e fornire una geometria bidimensionale dei costituenti. «I teorici hanno sviluppato tecniche per calcolare gli stati fondamentali di sistemi unidimensionali con un numero molto elevato di particelle», aggiunge Roos. «Per i sistemi bidimensionali, tali metodi non sono disponibili nella stessa misura.»
Una piattaforma sperimentale per la fisica a molti corpi
Gli ioni intrappolati sono utilizzati come piattaforma sperimentale per studiare la fisica quantistica a molti corpi. Esistono diversi modi per intrappolare gli ioni, utilizzando campi elettrici in diverse configurazioni, tutti con pro e contro. La piattaforma sperimentale di SPICY utilizza una trappola a radiofrequenza che impiega campi elettrici per confinare gli ioni. Il team ha creato una trappola progettata per intrappolare cristalli di Coulomb ionici planari(si apre in una nuova finestra), stati insoliti della materia che possono essere trattati come un unico sistema di meccanica quantistica sotto forma di reticolo. Questo dispositivo può essere regolato per intrappolare gli ioni in due dimensioni, anziché in singoli fili. La trappola è una microstruttura composta da un unico pezzo di silice fusa rivestita d’oro, con diversi elettrodi per consentire un controllo preciso del potenziale in cui si trovano questi cristalli di ioni.
Collaudare il dispositivo sperimentale
Una volta costruito, il passo successivo è stato quello di eseguire esperimenti utilizzando il nuovo dispositivo. Inizialmente il team era preoccupato, perché la disposizione dei cristalli di ioni planari non è fissa, il che rischiava di farli collidere con altri atomi e di rendere impossibili esperimenti significativi. Il team ha trovato il modo di superare questa difficoltà mettendo a punto i parametri del dispositivo. Un altro passo importante del progetto è stato quello di dimostrare che i modi di movimento collettivi possono essere raffreddati fino agli stati quantici più bassi. «Abbiamo quindi iniziato ad accoppiare i livelli energetici interni degli ioni e poi progettato interazioni di entanglement tra le particelle», osserva Roos.
Verso stati quantistici utili dal punto di vista meteorologico
Oltre ai risultati principali, i ricercatori hanno anche iniziato a utilizzare il dispositivo per lo «spin squeezing», una tecnica che consente di creare stati quantistici utili dal punto di vista meteorologico. «Si tratta di una parte inedita degli esperimenti di fisica quantistica che abbiamo condotto», spiega Roos.
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