Passo nella ricerca del calcolo quantico

I ricercatori dell'Harvard-ledd documentano la presenza di liquidi di rotazione quantistici, uno stato di materia mai visto prima.

Nel 1973, il fisico Philip W. Anderson (1) ha teorizzato l'esistenza di un nuovo stato di materia che è stato un importante focus del settore, specialmente nella gara per computer quantistici.

Questo bizzarro stato di materia è chiamato liquido di rotazione quantistico (Quantum Spin) e, contrariamente al nome, non ha nulla a che fare con i liquidi di tutti i giorni come l'acqua. Invece, si tratta di magneti che non si congelano mai e il modo in cui gli elettroni in loro girano. In magneti regolari, quando la temperatura scende sotto una determinata temperatura, gli elettroni stabilizzano e formano un solido pezzo di materia con proprietà magnetiche. Nel liquido di rotazione quantistico, gli elettroni non si stabilizzano quando raffreddati, non si formano in un solido, sono in costante cambiamento e fluttuando (come un liquido) in uno dei principali stati quantici più impigliati mai concepiti.

Le diverse proprietà dei liquidi Quantum Spin hanno applicazioni promettenti che possono essere utilizzate per far avanzare tecnologie quantistiche come i superconduttori ad alta temperatura e i computer quantistici. Ma il problema su questo stato di materia è stato la sua stessa esistenza. Nessuno ne aveva mai visto - almeno, quello era stato il caso per quasi 50 anni.

Oggi, un team di fisici del LED di Harvard ha dichiarato di aver finalmente documentato sperimentalmente questo stato esotico a lungo ricercato. Il lavoro è descritto in un nuovo studio nella rivista Science (2) e segna un grande passo verso l'essere in grado di produrre questo stato sfuggente su richiesta e per ottenere una nuova comprensione della sua natura misteriosa.

«È un momento molto speciale sul campo», ha detto il dottor Mikhail Lukin, (3) professore del George Vasmer Leverett, co-direttore dell'Harvard Quantum Initiative (HQI), (4) e uno degli autori dello studio. «Puoi davvero toccare, colpire e punire a questo stato esotico e manipolarlo per capire le sue proprietà. ...è un nuovo stato di materia che le persone non sono mai state in grado di osservare».

Gli apprendimenti di questa ricerca scientifica potrebbero un giorno fornire ai progressi per la progettazione di migliori materiali e tecnologie quantistici. Più specificamente, le proprietà esotiche dei liquidi di rotazione quantistica potrebbero tenere la chiave per la creazione di bit quantistici robusti, noti come qubit topologici, che dovrebbero essere resistenti al rumore e alle interferenze esterne.

«Questo è un sogno nel calcolo quantistico», ha detto la dottoressa Giulia Semeghini, (5) una collega post dottorato dell'Harvard-Max Planck Quantum Optics Center e principale autrice dello studio. «Imparare a creare e utilizzare tali qubit topologici rappresenterebbe un passo importante verso la realizzazione di computer quantistici affidabili».

Il team di ricerca ha osservato questo stato di materia simile a un liquido utilizzando il quantum simulator (6) programmabile, che è il laboratorio originariamente sviluppato nel 2017. Il simulatore è un tipo speciale di computer quantistico che consente ai ricercatori di creare forme programmabili per interazioni ingegneristiche. È usato per studiare una serie di processi quantistici complessi.

L'idea di utilizzare il quantum simulator è quella di poter riprodurre la stessa fisica microscopica trovata nei sistemi di materia condensata, in particolare con la libertà che la programmabilità del sistema consente.

Secondo il dottor Subir Sachdev, (7) professore di fisica e attuale Maureen and John Hendricks Distinguished Visiting Professor at the Institute for Advanced Study, (8) «Puoi spostare gli atomi a parte per quanto vuoi, puoi cambiare la frequenza della luce laser, puoi davvero cambiare i parametri della natura in un modo che non puoi nel materiale in cui queste cose sono studiate in precedenza. Qui, puoi guardare ogni atomo e vedere cosa sta facendo».

Gli scienziati di Harvard hanno usato il simulatore per creare il proprio modello di reticolo frustrato, posizionando gli atomi lì per interagire e intrappolare. I ricercatori hanno misurato e analizzato le corde che collegavano gli atomi dopo l'intera struttura impigliata. La presenza e l'analisi di quelle stringhe, che sono chiamate stringhe topologiche, significavano che le correlazioni quantiche stavano accadendo e che lo stato liquido di rotazione quantistico era emerso.

Dopo aver confermato la presenza di liquidi Quantum Spin, i ricercatori si sono rivolti alla possibile applicazione di questo stato di materia per creare i robusti qubit. Hanno eseguito un proof-of-concept test dimostrando che in un futuro sia possibile creare questi bit quantistici mettendo i liquidi di rotazione quantistica in uno speciale array geometrico utilizzando il simulatore.

I ricercatori hanno intenzione di utilizzare il simulatore Quantum programmabile per continuare a indagare sui liquidi di rotazione quantistici e come possono essere utilizzati per creare i qubit più robusti. Dopotutto, i qubits sono i fondamentali pilastri su cui funzionano i computer quantistici e la fonte del loro massiccio potere di elaborazione.

Il lavoro si basa sulle precedenti previsioni teoriche del dottor Subir Sachdev e del suo studente laureato Rhine Samajdar, su una proposta specifica del dottor Ashvin Vishwanah, un professore di fisica di Harvard e il dottor Ruben Verresen, un HQI postdoctoral fellow. L'esperimento è stato fatto in collaborazione con il laboratorio del dottor Markus Griener del Max Planck-Harvard Research Center for Quantum Optics e con il dottor George Vasmer Leverett, Professore di Fisica. Hanno collaborato anche scienziati dell'University of Innsbruck e del QuEra Computing di Boston.

Riferimenti:

(1) Philip W. Anderson

(2) Probing topological spin liquids on a programmable quantum simulator

(3) Mikhail Lukin

(4) Harvard Quantum Initiative

(5) Giulia Semeghini

(6) Harvard-led physicists take big step in race to quantum computing

(7) Subir Sachdev

(8) Current Distinguished Visiting Professor Subir Sachdev

Descrizione foto: Prof. Mikhail Lukin (a sinistra) e Giulia Semeghini, ricercatore guida, osservano uno stato di materia previsto e studiato per 50 anni ma mai osservato in precedenza. All'interno dell'edificio del Lise studiano liquidi di rotazione quantistici usando laser. - Credit: Kris Snibbe/Harvard Staff Photographe.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Step in quest for quantum computing