Gli artisti quantistici: freni temporali e trappole ioniche

Come sarebbe bello poter rallentare il tempo. Quando ci si guarda allo specchio, non ci sarebbe una nuova ruga ogni mattina; e le belle vacanze potrebbero essere prolungate un po' di più. Cornelius Hempel ha relativamente poche rughe sul viso. Probabilmente perché il fisico del Centre for Photon Science ha 44 anni e non per la macchina che il suo team ha costruito in un laboratorio senza finestre: un'accozzaglia apparentemente caotica di cavi, lenti e laser. Eppure: rallenta il tempo, almeno nei calcoli complessi. È un computer quantistico basato su una trappola ionica e Hempel lo usa per simulare al rallentatore reazioni chimiche ultraveloci. Non previene le rughe del viso.

Il suo simulatore quantistico è in realtà un orologio atomico, sottolinea Cornelius Hempel. Entrambi funzionano con ioni, cioè atomi carichi elettricamente che vengono catturati in una trappola e i cui elettroni vengono fatti oscillare con l'aiuto di laser, come il pendolo di un vecchio orologio. I primi orologi atomici sono stati costruiti negli anni '50 e funzionavano con le microonde. Continuano a costituire la base della nostra misurazione del tempo e definiscono il secondo con la loro oscillazione - circa 9,1 milioni di oscillazioni corrispondono a un secondo. Questo risultato è ottenuto con una precisione di 16 decimali, il che significa che si sbagliano di circa un secondo in 100 milioni di anni. I modelli odierni basati sugli ioni sono mille volte più precisi. "Nient'altro può essere misurato con maggiore precisione del tempo", afferma Hempel.

Hempel utilizza l'orologio atomico come un cosiddetto simulatore quantistico. Si tratta di un sistema quantistico che replica un altro sistema quantistico - spesso un solido o un liquido - in modo controllabile. Il comportamento dei quanti si calcola meglio con i computer quantistici, come suggerito dal premio Nobel Richard Feynman nel 1982. Il concetto di Feynman è stato accantonato per molto tempo. Solo negli anni Novanta l'idea è stata portata avanti, finché nel 1995 è stato dimostrato il primo prototipo di computer quantistico basato su un orologio atomico con ioni.

Nuclei atomici con vibrazioni naturali

Negli ultimi dieci anni, i computer quantistici hanno compiuto progressi tali da renderli ideali come simulatori quantistici. Ciò fornisce ai fisici un nuovo e potente strumento che può essere utilizzato per calcolare il comportamento delle molecole, cioè gruppi di atomi diversi, fino ai dettagli fisici quantistici. Anche i supercomputer più veloci spesso non sono all'altezza. Per ottenere un risultato significativo almeno a metà, i ricercatori hanno finora agito come se i nuclei atomici fossero congelati; il supercomputer calcola quindi solo il modo in cui gli elettroni si muovono intorno ai nuclei. Ma questo non è realistico. "I nuclei atomici vibrano ed è questo che dovrebbero fare nella simulazione", dice Hempel. Un simulatore quantistico con gli ioni è molto promettente a questo scopo, poiché essi vibrano naturalmente nella loro trappola.

Lo svantaggio di un simulatore quantistico è che non raggiunge la velocità ultra-rapida dei fenomeni nel mondo delle molecole e degli atomi. La sua velocità corrisponde solo a quella del sistema quantistico sottostante. È qui che entra in gioco il "freno a tempo". Utilizza un modello matematico che corrisponde al sistema da simulare per descrivere il comportamento degli ioni nell'esperimento, ma con un fattore di dilatazione temporale di 100 miliardi. In realtà, Hempel non rallenta il sistema quantistico in sé, ma solo la sua immagine nel modello matematico.

Informazioni fulminee nell'occhio

Le reazioni chimiche ultraveloci avvengono nei luoghi più disparati della natura. Ci impediscono di scottarci continuamente convertendo la luce UV in arrivo in calore nel materiale genetico delle cellule prima che si verifichino danni. Reazioni chimiche molto rapide avvengono anche nella retina dei nostri occhi. La molecola della retina traduce la luce in arrivo in informazioni che il nervo ottico trasmette al cervello. Quando una particella di luce - un cosiddetto fotone - la colpisce, la molecola curva si allunga alla velocità della luce, stimolando il nervo ottico. Altri gruppi di ricerca del PSI stanno studiando sperimentalmente questo processo presso il laser a elettroni liberi a raggi X SwissFEL. La retina commuta in soli 400 femtosecondi, ovvero poco meno di mezzo trilionesimo di secondo. Nel simulatore quantistico di Hempel, invece, il calcolo avviene in un comodo millisecondo. Il vantaggio è che il ricercatore può studiare esattamente cosa succede quando la molecola viene deformata e come gli atomi lavorano insieme. Un simulatore quantistico di solito funziona in modo analogico, mentre un computer quantistico funziona in modo digitale. I qubit del computer quantistico riconoscono gli stati binari 0 e 1 con cui lavorano i computer classici, con una differenza: i qubit possono assumere entrambi gli stati contemporaneamente in proporzioni diverse. Questo aumenta a dismisura la loro potenza di calcolo per determinati compiti.

Cibo digitale per computer quantistici analogici

Cosa succederebbe se si potesse combinare un simulatore quantistico e un computer quantistico, cioè la modalità analogica e quella digitale? Si otterrebbe così un simulatore quantistico che potrebbe essere alimentato con informazioni digitali. Andreas Elben e Andreas Läuchli del Centro per la scienza computazionale, la teoria e i dati del PSI hanno combinato il meglio di entrambi i mondi in una pubblicazione innovativa su Nature, una delle più rinomate riviste scientifiche. Insieme a ricercatori di Google e di università di cinque Paesi, hanno dimostrato che i processi dinamici quantistici come la propagazione del calore in un liquido, ad esempio quando due sostanze con temperature diverse vengono mescolate in una reazione chimica, possono essere calcolati utilizzando solo 69 qubit di un computer quantistico di Google.

Il concetto apre la strada a un simulatore quantistico universale e sarà utilizzato in un'ampia gamma di settori della fisica. Anche le trappole ioniche di Cornelius Hempel sono adatte a un simulatore quantistico universale.

Passerotti lenti sulla linea elettrica

Hempel ha disposto diverse decine di ioni in una camera. Sono seduti come passeri su una linea elettrica. Deve animarli per calcolarli dall'esterno con la luce laser: nessun problema con questo numero. Tuttavia, se in futuro si vorranno avere milioni di qubit su un chip, i laser dovranno essere integrati nel chip e potranno essere accesi e spenti individualmente: la parola chiave è fotonica integrata. Questo esiste già oggi nei centri dati, ma questi laser integrati sono in primo luogo troppo grandi e in secondo luogo brillano con lunghezze d'onda nel profondo infrarosso; i computer quantistici hanno bisogno di luce visibile. "Per questo al PSI stiamo sviluppando queste tecnologie", spiega Cornelius Hempel. Forse un giorno si arriverà a processori ibridi in cui gli atomi e i laser di un computer quantistico saranno combinati con l'elettronica convenzionale in silicio.

Queste tecnologie sono ancora lontane dall'applicazione commerciale. Al PSI ci sono altri gruppi che stanno lavorando per colmare questo divario, tra cui Kirsten Moselund e il suo team del Laboratory for Nano and Quantum Technologies presso il Centre for Photon Science del PSI.

Molti settori stanno già beneficiando degli sviluppi che stanno emergendo intorno ai computer quantistici, come l'elettronica, la tecnologia di misura e la fotonica. "Molte ricerche del PSI riguardano fenomeni che vorremmo comprendere fino al livello della fisica quantistica", sottolinea Cornelius Hempel. "E i fenomeni quantistici si ritrovano in molti prodotti attuali e futuri, ai quali il nostro lavoro può dare un contributo decisivo".