Quantum marbles in un contenitore di luce

Quali fattori determinano quanto velocemente un computer quantico possa eseguire i suoi calcoli? I fisici dell'Università di Bonn e del Technion - Israel Institute of Technology hanno ideato un esperimento per rispondere a questa domanda.

Gli scienziati quantistici impostano i limiti fondamentali su quanto gli stati quantistici veloci possano essere trasformati in tempo. Due noti limiti di velocità quantistici sono i limiti Mandelstam-Tamm e il Margolus-Levitin, che riguardano la massima velocità dell'evoluzione all'incertezza energetica del sistema e all'energia media, rispettivamente.

In questo studio, i cui risultati sono stati pubblicati dalla rivista Science Advances, (1) gli scienziati sperimentano contemporaneamente entrambi i limiti di un sistema multilivello seguendo il movimento di un singolo atomo in una trappola ottica utilizzando l'interferometria dell'onda di materia veloce. Essi hanno individuato due regimi diversi: uno in cui il limite di Mandelstam-Tamm vincola l'evoluzione in ogni momento e un secondo in cui un crossover al limite di Margolus-Levitin avviene in più volte. Inoltre, utilizzano un approccio geometrico per quantificare la deviazione dal limite di velocità, misurando quanto l'evoluzione quantistica devia dal percorso geodetico nello spazio di Hilbert del sistema multilivello.

I computer Quantum sono macchine altamente sofisticate che si basano sui principi della meccanica quantistica per elaborare le informazioni. Ciò dovrebbe consentire loro di gestire determinati problemi in futuro che sono completamente irrisolvibili per i computer convenzionali. Ma anche per i computer quantici, i limiti fondamentali si applicano alla quantità di dati che possono elaborare in un dato momento.

I quantum gates richiedono un tempo minimo

Le informazioni memorizzate nei computer convenzionali possono essere pensate come una lunga sequenza di zeri e di quelli, i bit. Nella meccanica quantistica è diverso: le informazioni sono memorizzate in bit quantistici (qubit), che assomigliano a un'onda anziché una serie di valori discreti. I fisici parlano anche di funzioni d'onda quando vogliono rappresentare precisamente le informazioni contenute nei qubit.

In un computer tradizionale, le informazioni sono collegate insieme dai cosiddetti so-called gates. La combinazione di diversi so-called gates consente calcoli elementari, come l'aggiunta di due bit. Le informazioni vengono elaborate in modo molto simile nei computer quantistici, in cui i so-called gates quantistici cambiano la funzione onda in base a determinate regole.

I so-called gates quantici assomigliano ai loro parenti tradizionali in un altro rispetto: «Anche nel mondo quantico, i quantum gates non funzionano infinitamente veloci», spiega il Dr. Andrea Alberti (2) dell'Istituto di fisica applicata presso l'Università di Bonn. «Richiedono una quantità minima di tempo per trasformare la funzione ondulata e le informazioni che questo contiene».

Più di 70 anni fa, i fisici sovietici Leonid Mandelstam e Igor Tamm dedusse teoricamente questo tempo minimo per trasformare la funzione Wave. I fisici dell'Università di Bonn e del Technion hanno ora studiato questo limite Mandelstam-Tamm per la prima volta con un esperimento su un complesso sistema quantistico. Per fare ciò, hanno usato atomi di cesio che si muovevano in modo altamente controllato. «Nell'esperimento, lasciamo che gli atomi individuali rotolano in un leggero contenitore e osserviamo il loro movimento», spiega Alberti, che ha guidato lo studio sperimentale.

Gli atomi possono essere descritti quantici meccanicamente come le onde della materia. Durante il viaggio verso il fondo del contenitore della luce, le loro informazioni quantiche cambiano. I ricercatori ora volevano sapere quando questa “deformazione” potrebbe essere identificata al più presto. Questa volta sarebbe quindi la prova sperimentale del limite Mandelstam-Tamm. Il problema con ciò, tuttavia, è: che nel mondo quantico, ogni misura della posizione dell'atomo cambia inevitabilmente la questione onda in modo imprevedibile. Quindi sembra sempre che il marbles sia deformato, non importa quanto velocemente sia fatta la misurazione. «Abbiamo quindi ideato un metodo diverso per rilevare la deviazione dallo stato iniziale», afferma il dottor Alberti.

A tale scopo, i ricercatori hanno iniziato producendo un clone dell'onda, in altre parole un gemello quasi esatto. «Abbiamo usato impulsi rapidi per creare una cosiddetta sovrapposizione quantistica di due stati dell'atomo», spiega il dottor Gal Ness, (3) uno studente di dottorato presso il Technion - Israel Institute of Technology e il primo autore dello studio. «Figurativamente parlando, l'atomo si comporta come se avesse due colori diversi allo stesso tempo. A seconda del colore, ogni Atom Twin prende una posizione diversa nel contenitore della luce: uno è in alto sul bordo e “rotola” da lì. L'altro, al contrario, è già in fondo al contenitore. Questo gemello non si muove - dopo tutto, non può arrotolare le pareti e quindi non cambia la sua funzione d'onda».

I fisici hanno confrontato i due cloni a intervalli regolari. Hanno fatto questo usando una tecnica chiamata interferenza quantistica, che consente di rilevare le differenze nelle onde in modo molto preciso. Ciò ha permesso loro di determinare dopo il momento in cui è avvenuta una deformazione significativa della dinamica dell'onda.

Due fattori determinano il limite di velocità

Variando l'altezza sopra il fondo del contenitore all'inizio dell'esperimento, i fisici sono riusciti a controllare l'energia media dell'atomo. Media perché, in linea di principio, l'importo non può essere determinato esattamente. La “posizione energetica” dell'atomo è quindi sempre incerta. «Siamo stati in grado di dimostrare che il tempo minimo per la questione ondata al cambiamento dipende da questa incertezza energetica», afferma il professor Yoav Sagi, (4) che ha guidato il team partner al Technion - Israel Institute of Technology: «Maggiore è l'incertezza, il tempo più corto del tempo Mandelstam-Tamm».

Questo è esattamente ciò che i due fisici sovietici avevano previsto. Ma c'era anche un secondo effetto: se l'incertezza energetica è stata aumentata sempre di più fino a superare l'energia media dell'atomo, allora il tempo minimo non è diminuito ulteriormente - contrariamente a ciò che il limite di Mandelstam-Tamm suggerirebbe effettivamente. I fisici hanno quindi dimostrato un limite di seconda velocità, che è stato teoricamente scoperto circa 20 anni fa. Il limite di velocità definitivo nel mondo quantico è quindi determinato non solo dall'incertezza dell'energia, ma anche dall'energia media.

«È la prima volta che entrambi i confini della velocità quantistica potrebbero essere misurati per un sistema quantistico complesso e anche in un unico esperimento», afferma Alberti. I futuri computer quantici possono essere in grado di risolvere rapidamente problemi, ma anche loro saranno limitati da questi limiti fondamentali.

Riferimenti:

(1) Observing crossover between quantum speed limits

(2) Andrea Alberti

(3) Gal Ness

(4) Yoav Sagi

Descrizione foto: Un'illustrazione artistica di una'onda di materia che rotola lungo una ripida potenziale collina. - Credit: Enrique Sahagún – Scixel.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Quantum marbles in a bowl of light