Simulatore quantistico basato su centri di spin

In questo lavoro proponiamo una piattaforma a stato solido per la creazione di simulatori quantistici basati su centri di spin impiantati in semiconduttori

L’informatica quantistica, che utilizza le leggi della meccanica quantistica, può risolvere problemi urgenti in un’ampia gamma di campi, dalla medicina all’apprendimento automatico, che sono troppo complessi per i computer classici. I simulatori quantistici sono dispositivi costituiti da unità quantistiche interagenti che possono essere programmate per simulare modelli complessi del mondo fisico. Gli scienziati possono quindi ottenere informazioni su questi modelli e, per estensione, sul mondo reale variando le interazioni in modo controllato e misurando il comportamento risultante dei simulatori quantistici.

In un articolo pubblicato su Physical Review B (1) e selezionato dalla rivista come suggerimento dell'editore, un gruppo di ricerca guidato dalla UC Riverside ha proposto una catena di oggetti magnetici quantistici, chiamati centri di spin, che, in presenza di un campo magnetico esterno, possono simulare una varietà di fasi magnetiche della materia così come le transizioni tra queste fasi.

«Stiamo progettando nuovi dispositivi, con inclusi i centri di spin, utilizzabili per simulare e conoscere interessanti fenomeni fisici che non possono essere studiati completamente con i computer classici», ha affermato la dottoressa Shan-Wen Tsai (2), professoressa al physics and astronomy (3), che ha guidato la ricerca. «I centri di spin nei materiali a stato solido sono oggetti quantistici localizzati con un grande potenziale non sfruttato per la progettazione di nuovi simulatori quantistici».

Secondo Troy A Losey (4), studente laureato collaboratore della dottoressa Tsai e primo autore dell'articolo, i progressi con questi dispositivi potrebbero rendere possibile studiare modi più efficienti di archiviare e trasferire informazioni, sviluppando allo stesso tempo metodi necessari per creare computer quantistici a temperatura ambiente.

«Abbiamo molte idee su come apportare miglioramenti ai simulatori quantistici basati su spin-center rispetto a questo dispositivo proposto inizialmente», ha affermato. «L’impiego di queste nuove idee e la considerazione di disposizioni più complesse dei centri di spin potrebbero aiutare a creare simulatori quantistici facili da costruire e da utilizzare, pur essendo in grado di simulare una fisica nuova e significativa».

Di seguito, Tsai e Losey rispondono ad un paio di domande sulla ricerca:

D: Cos'è un simulatore quantistico?

Tsai: È un dispositivo che sfrutta i comportamenti insoliti della meccanica quantistica per simulare una fisica interessante che è troppo difficile da calcolare per un normale computer. A differenza dei computer quantistici che funzionano con qubit e operazioni di gate universale, i simulatori quantistici sono progettati individualmente per simulare/risolvere problemi specifici. Scambiando la programmabilità universale dei computer quantistici in favore dello sfruttamento della ricchezza di diverse interazioni quantistiche e disposizioni geometriche, i simulatori quantistici potrebbero essere più facili da implementare e fornire nuove applicazioni per i dispositivi quantistici, il che è rilevante perché i computer quantistici non sono ancora universalmente utili.

Un centro di spin è un oggetto magnetico quantistico delle dimensioni di un atomo che può essere posizionato in un cristallo. Può immagazzinare informazioni quantistiche, comunicare con altri centri di spin ed essere controllato con i laser.

D: Quali sono alcune applicazioni di questo lavoro?

Losey: Possiamo costruire il simulatore quantistico proposto per simulare le fasi magnetiche esotiche della materia e le transizioni di fase tra di loro. Queste transizioni di fase sono di grande interesse perché in queste transizioni i comportamenti di sistemi molto diversi diventano identici, il che implica che ci siano fenomeni fisici sottostanti che collegano questi diversi sistemi.

Le tecniche utilizzate per costruire questo dispositivo possono essere impiegate anche per computer quantistici basati su spin-center, che sono i principali candidati per lo sviluppo di computer quantistici a temperatura ambiente, mentre la maggior parte dei computer quantistici richiede temperature estremamente fredde per funzionare. Inoltre, il nostro dispositivo presuppone che i centri di rotazione siano posizionati in linea retta, ma è possibile posizionare i centri di rotazione fino a disposizioni tridimensionali. Ciò potrebbe consentire lo studio di dispositivi informativi basati sullo spin che sono più efficienti dei metodi attualmente utilizzati dai computer.

Poiché i simulatori quantistici sono più facili da costruire e da utilizzare rispetto ai computer quantistici, attualmente possiamo utilizzarli per risolvere alcuni problemi che i computer normali non sono in grado di affrontare, mentre aspettiamo che i computer quantistici diventino più raffinati. Tuttavia, ciò non significa che i simulatori quantistici possano essere costruiti senza problemi, poiché solo ora ci stiamo avvicinando a diventare abbastanza bravi nel manipolare i centri di spin, coltivare cristalli puri e lavorare a basse temperature per costruire il simulatore quantistico che proponiamo.

L'University of California, Riverside, è un'università di ricerca di dottorato, un laboratorio vivente per l'esplorazione innovativa di questioni cruciali per la California meridionale interna, lo stato e le comunità di tutto il mondo. Riflettendo la diversa cultura della California, le iscrizioni dell'UCR superano i 26.000 studenti. Il campus ha aperto una scuola di medicina nel 2013 e ha raggiunto il cuore della Coachella Valley attraverso l'UCR Palm Desert Center. Il campus ha un impatto annuo di oltre 2,7 miliardi di dollari sull’economia statunitense. (5)

Riferimenti:

(1) Quantum simulation of the spin 1/2 XYZ model using solid-state spin centers

(2) Shan-Wen Tsai

(3) Department of Physics & Astronomy | College of Natural & Agricultural Sciences

(4) Troy A Losey

(5) UC Riverside / University of California, Riverside

Descrizione foto: Shan-Wen Tsai (a sinistra) e Troy Losey. - Credit: Laboratorio Tsai, UC Riverside.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: With spin centers, quantum computing takes a step forward