Gli artisti quantistici: duetto al terbio e altre opere d'arte quantistica

"Metti il buono nel vasino e il cattivo nella pentola", come recita la favola di Cenerentola. Quando si tratta di computer quantistici, anche i buoni devono essere separati dai cattivi - a livello di atomi e dei loro fratelli elettricamente carichi, gli ioni. Per i ricercatori, i "buoni" sono i qubit, ad esempio atomi o ioni, che possono eseguire i calcoli in un computer quantistico. I qubit sono di solito molto sensibili; qualsiasi disturbo meccanico o magnetico esterno, per quanto piccolo, fa collassare la cosiddetta coerenza in una frazione di secondo, mandando i qubit fuori sincrono e perdendo l'informazione quantistica. Diventano qubit "cattivi" e ostacolano i calcoli di un computer quantistico.

Nei computer quantistici attuali, i qubit sono relativamente distanti tra loro in modo da non interferire l'uno con l'altro. Ciò che funziona ancora bene con 50 o 100 qubit diventa un problema se si pensa a molti milioni di qubit per i futuri computer quantistici - e si vuole impacchettarli molto vicini tra loro, come i bit sui chip dei computer di oggi. Allora interferiscono tra loro e il "bene" diventa "male".

Simon Gerber e Gabriel Aeppli del Centre for Photon Science del PSI conoscono un modo per mantenere anche i qubit densamente impacchettati nel piatto "buono" molto più a lungo. I loro qubit a ioni di terbio sono integrati nella struttura reticolare atomica dei cristalli di ittrio-fluoruro di litio. Il risultato è sorprendente: gli ioni terbio producono qubit più stabili del previsto, cioè con una coerenza molto più elevata.

"Il trucco sta nel fatto che gli stati dei qubit ora non sono memorizzati in singoli ioni come di consueto, ma nell'interazione di due ioni ciascuno", spiega Gerber. "Queste coppie di ioni si creano in modo del tutto naturale quando si aggiunge molto terbio al cristallo". Il vantaggio: i qubit a coppia di ioni comunicano a una frequenza molto specifica che non può essere disturbata da singoli ioni di terbio o da altri atomi nel cristallo. È come utilizzare una nuova frequenza radio lontano dai precedenti trasmettitori: le vecchie frequenze non interferiscono. Applicato ai qubit, questo significa che è possibile comunicare con loro senza ostacoli e che la loro coerenza viene mantenuta molte volte più a lungo. Questo rende l'approccio PSI molto interessante per la costruzione di futuri computer quantistici.

Scudo protettivo fatto di microonde

Ma c'è di più. Anche le interferenze magnetiche esterne rappresentano una minaccia per i qubit a ioni di terbio. Tuttavia, se vengono irradiati con microonde, questo agisce come uno scudo protettivo contro di esse. I qubit a coppia hanno quindi una durata di vita fino a cento volte superiore rispetto ai qubit realizzati con singoli ioni non irradiati. "Con il materiale giusto, la coerenza potrebbe essere ancora più lunga", ipotizza Gabriel Aeppli, responsabile del Centro per la scienza dei fotoni del PSI. Grazie alla conoscenza di questo fenomeno, il team vuole ora ottimizzare ulteriormente la struttura.

Gli esperimenti, pubblicati lo scorso anno sulla rivista Nature Physics, aprono una nuova interessante strada per la costruzione di computer quantistici. Tuttavia, non sarà sufficiente spargere ioni di terbio in un reticolo di cristallo. "La tendenza è quella di un posizionamento quasi chirurgico di atomi o ioni", afferma Aeppli.

Wenchao Xu sa tutto sulla disposizione dei singoli atomi. È anche una scienziata del Centre for Photon Science del PSI. Tuttavia, i suoi atomi non sono in un solido, ma galleggiano nel vuoto in una camera compatta. Xu vuole posizionare fino a 5.000 atomi al suo interno con grande precisione, utilizzando una disposizione di fasci laser focalizzati. Chiamiamo questa tecnologia "pinzette ottiche". Possiamo catturare e posizionare un singolo atomo con un singolo raggio laser", spiega Xu. Il suo team utilizza i singoli atomi come qubit e costruisce processori quantistici a partire da molti atomi posizionati in questo modo.

Esseri ibridi di luce e materia

Xu sta anche studiando le possibili connessioni tra sistemi quantistici. A questo scopo utilizza i cosiddetti polaritoni. Si tratta di quasiparticelle che hanno le proprietà della luce e della materia allo stesso tempo. Potrebbero fungere da interfaccia tra i qubit atomici e la luce per trasportare informazioni quantistiche su distanze maggiori. I polaritoni potrebbero essere utilizzati per collegare tra loro diversi processori quantistici, per realizzare computer quantistici più grandi.

Anche Dominik Sidler è interessato ai polaritoni. Il fisico teorico del Centro per la scienza computazionale, la teoria e i dati del PSI non studia le quasiparticelle in laboratorio, ma nelle simulazioni al computer. Lì studia il forte accoppiamento della luce con la materia. Se le molecole sono chiuse in un minuscolo armadio a specchio e la luce può passare avanti e indietro al suo interno, la luce può cambiare la struttura della molecola e quindi anche le sue proprietà chimiche. La particolarità è che non è necessaria una luce esterna. L'effetto quantico si verifica anche nel buio assoluto. Perché si modificano le proprietà chimiche? Questo aspetto è ancora in gran parte sconosciuto, poiché gli attuali modelli fisici non lo prevedono. Anche i polaritoni potrebbero avere un ruolo in questo fenomeno.

Sidler sta cercando di scoprire il segreto della chimica polaritonica. Se ci riuscirà, spera di sviluppare farmaci in cui il principio attivo desiderato possa essere prodotto in modo più efficiente dal punto di vista energetico perché la struttura chimica può essere modificata in modo specifico nelle trappole luminose.

Qubit di gatto

Mentre ricercatori come Simon Gerber e Wenchao Xu utilizzano i più piccoli elementi che la natura mette a disposizione per i loro qubit - atomi e ioni - Alexander Grimm adotta un approccio diverso: produce qubit artificialmente. Per farlo, utilizza i cosiddetti risonatori a microonde in cui un segnale elettrico può oscillare avanti e indietro come un pendolo. Il gruppo di ricerca di Grimm è in grado di controllare con precisione lo stato di oscillazione di questi risonatori. Inoltre, a meno 273 gradi Celsius, Grimm è in grado di generare una sovrapposizione meccanica quantistica: due oscillazioni opposte si verificano contemporaneamente. È come se un pendolo classico oscillasse contemporaneamente in due direzioni opposte. "Questo ci permette di creare in laboratorio qualcosa di simile al gatto di Schrödinger", spiega Grimm, riferendosi al famoso esperimento di Erwin Schrödinger. Il vantaggio di questi qubit gatto: I due stati opposti sono resistenti alle perturbazioni, quindi i qubit di Grimm rimangono naturalmente più a lungo nel piatto "buono" di Cenerentola.

Il luogo ideale per la ricerca quantistica

I numerosi approcci alla ricerca quantistica hanno particolare successo quando ricercatori di diversi settori lavorano insieme. "Ogni disciplina ha il suo linguaggio, i suoi formalismi. È quindi importante superare i confini della propria disciplina e aprire nuove possibilità", afferma Dominik Sidler. "Il PSI è il luogo ideale per questo, anche grazie alla stretta collaborazione con le università del settore ETH e ai numerosi contatti con le principali istituzioni internazionali".

"Ci fertilizziamo a vicenda", concorda Simon Gerber. L'esperimento con le coppie di ioni terbio, ad esempio, potrebbe anche portare a nuovi tipi di sensori. In sostanza, per capire cosa succede a livello atomico ed elettronico, sono necessari grandi "microscopi". "Le strutture di ricerca su larga scala del PSI sono uniche al mondo e ci aiutano a comprendere le proprietà dei materiali, aprendo così una moltitudine di nuove possibilità di applicazione", afferma Gerber.