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Qubit stabili ci avvicinano all’informatica quantistica

Scienziati finanziati dall’UE hanno riferito l’osservazione di nuove fasi della materia per atomi ultrafreddi usando una simulazione quantistica. Qubit basati su insiemi di atomi ultrafreddi che si muovono lentamente offrono una promettente piattaforma scalabile per l’informatica quantistica.
Qubit stabili ci avvicinano all’informatica quantistica
La simulazione quantistica riguarda l’utilizzo di un sistema quantistico in condizioni controllate di laboratorio per simulare un altro sistema quantistico, la cui descrizione non rientra nelle capacità dei computer convenzionali. Questo approccio è ben riassunto dalle indimenticabili parole del celebre fisico teorico Richard Feynman: «La natura non è classica e, se vuoi fare una simulazione della natura, farai meglio a farla con la meccanica quantistica».

Atomi ultrafreddi e ioni freddi e intrappolati sono uno degli strumenti più promettenti per simulare il comportamento di complessi sistemi a molti corpi. L’alto grado di controllabilità e nuove possibilità di rilevamento consentono lo studio di nuovi stati quantici della materia che sono quasi impossibili da raggiungere su scala macroscopica. «Finora sono stati compiuti progressi significativi nello sviluppo di simulatori quantistici in grado di prevedere il comportamento di complessi sistemi quantistici ingegnerizzati. Ciò comporta la modellazione di operatori hamiltoniani a molti corpi di crescente complessità in maniera controllata», dice il prof. Fabrizio Illuminati del progetto EQuaM, finanziato dall’UE.

Dal caos si ottiene l’ordine

EQuaM ha aperto la porta a una migliore comprensione dei fenomeni fisici che sembrano essere connessi alle proprietà quantistiche comuni di alcuni materiali. I ricercatori che lavorano al progetto hanno studiato a fondo insiemi di atomi ultrafreddi interagenti e li hanno manipolati allo scopo di simulare il comportamento di magneti quantistici frustrati.

«La frustrazione gioca un ruolo centrale negli stati esotici della materia come ad esempio i liquidi di spin quantistico», fa notare il prof. Illuminati. I magneti frustrati impediscono la sistemazione ordinata degli spin elettronici e quindi collassano in uno stato simile a quello liquido. Gli spin elettronici continuano a puntare verso differenti direzioni persino a temperature prossime allo zero assoluto.

I ricercatori hanno però notato che, almeno sulla scala esaminata dall’esperimento, gli atomi sembrano disporsi spontaneamente in un tipo differente di ordine, regolato da schemi ordinati di correlazione quantistica a lungo raggio su scale più grandi. «Una delle sfide principali per i ricercatori era ricreare le condizioni richieste per far crescere materiali liquidi di spin quantistico in laboratorio e sviluppare strumenti idonei per rilevarli e controllarli, che dovrebbero consentire una comprensione totale delle loro proprietà», aggiunge il prof. Illuminati.

La frustrazione si trasforma in un dono

L’osservazione delle qualità caratteristiche di un liquido di spin in una struttura a magnete quantistico frustrato fornisce opportunità fondamentali per comprendere la fisica all’intersezione tra materia condensata ed elaborazione dell’informazione quantica. «Una caratteristica centrale di questo strano e nuovo stato quantistico della materia ordinata è il suo carattere topologico. In altre parole, le sue proprietà geometriche globali sono separate dalle locali forme geometriche attribuite all’interazione tra i componenti microscopici. Ciò lo rende particolarmente resiliente alle perturbazioni da parte di locali imperfezioni e influenze dall’esterno», spiega il prof. Illuminati. Ma in che modo è rilevante per le applicazioni quantistiche?

La realizzazione di qubit con lunghi tempi di coerenza è alla base di tutte le tecnologie dell’informazione quantica. La capacità dei qubit di stare in sovrapposizione e correlazione viene messa gravemente a rischio da imperfezioni intrinseche nel sistema e da qualsiasi fluttuazione causata dall’interazione con l’ambiente esterno. Usando il movimento collettivo degli atomi che simulano il magnete frustrato, risulta possibile creare qubit topologici che sono protetti dalle interazioni con l’ambiente.

L’ambizioso obiettivo dell’informatica quantistica topologica è sviluppare hardware immuni alla decoerenza, riducendo in tal modo il bisogno di una correzione attiva degli errori. «Per la prima volta in Europa, EQuaM ha messo in campo un approccio passivo alle tecnologie quantistiche efficaci, al posto di uno attivo basato sulla correzione degli errori. Tutti i sistemi e le configurazioni della materia quantistica topologica sono intrinsecamente stabili e quindi resilienti agli effetti dannosi del rumore ambientale», segnala il prof. Illuminati.

EQuaM ha dimostrato che è possibile creare fasi stabili e ordinate della materia quantistica in laboratorio con insiemi di atomi ultrafreddi e ha fatto progredire la comprensione teorica delle proprietà quantistiche collettive di tale materia. I risultati rappresentano un balzo in avanti lungo un «bit» nel campo degli atomi ultrafreddi. Questi ultimi saranno di grande interesse per l’ampia comunità della ricerca che studia i settori della coerenza e dell’informazione quantica, in particolare per la progettazione di computer quantici topologici e memorie quantiche stabili e affidabili.

Keywords

EQuaM, qubit, informatica quantistica, atomo ultrafreddo, magnete frustrato, liquido di spin, ordine topologico