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Diviso l’elettrone, il computer quantistico è più vicino

È possibile dividere l'elettrone in fermioni, e usare questi ultimi come elementi alla base del calcolo quantistico in un nuovo tipo di computer. Una macchina che potrebbe fare cose oggi impensabili, grazie alla complessità della meccanica quantistica.

Ricercatori del MIT e dell'Università di Cambridge (UK) hanno confermato l'esistenza un nuovo stato quantistico della materia, in un certo senso un terzo tipo di magnetismo oltre a quello ferromagnetico e antiferromagnetico. Una scoperta che ha due grandi implicazioni: la prima è evidente di per sé, perché si è confermata l'esistenza di qualcosa che prima esisteva solo in teoria.

La seconda però è forse ancora più importante, perché questo nuovo magnetismo suggerisce che si possa controllare con precisione l'entanglement quantistico, un particolare vincolo che si può formare tra due particelle. Riuscire a sfruttarlo potrebbe aggiungere un altro tassello al complesso mosaico che è necessario completare per realizzare un vero e proprio computer quantistico per usi generali – qualcosa di molto più complesso rispetto alla macchina che Google e la NASA stanno testando.

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La nuova scoperta riguarda infatti uno stato della materia detto quantum spin liquid, nel quale "gli elettroni si dividono in pezzi più piccoli". Per scoprire questo nuovo stato gli scienziati sono partiti da un materiale quasi bidimensionale, simile al grafene per struttura. Uno "foglio" di atomi che ha permesso di riprodurre ciò che è noto come modello di Kitaev.

"I liquidi a spin quantistico sono misteriosi stati della materia che si credeva potessero nascondersi in certi materiali magnetici, ma non erano stati rilevati in natura".

I pezzi più piccoli in questione sono i fermioni di Majorana (prendono il nome dal noto fisico italiano Ettore). E sono proprio queste particelle che "si potrebbero usare come elementi fondamentali dei computer quantistici", che come sappiamo sarebbero tremendamente più potenti e veloci di quelli attuali, e "in grado di fare calcoli impossibili con altri metodi".

Ciò è possibile per il comportamento magneticamente anomalo di queste particelle. Nel magnetismo "tradizionale" gli elettroni si comportano come calamite, e abbassando la temperatura prendono un determinato orientamento.

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D-Wave, il computer quantistico di Google

Ebbene, in questi nuovi materiali, all'abbassarsi della temperatura non corrisponde un preciso posizionamento magnetico, ma piuttosto una "zuppa di entanglement", come suggeriscono gli autori stessi dello studio.

Così è stato rilevato presso l'Oak Ridge National Laboratory, negli Stati Uniti. Qui si è lavorato con cloruro di rutenio alpha (α-RuCl3), testandone appunto le proprietà magnetiche tramite un fascio di neutroni. Si è poi osservato che forma prendeva il fascio dopo essere rimbalzato sul campione.

"Un magnete comune avrebbe creato linee precise", spiega il comunicato stampa, ma in questo caso sono apparsi invece dossi e cunette, a dimostrare che abbiamo effettivamente a che fare con un Quantum Spin Liquid e con la frazionalizzazione degli elettroni.

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una nuova voce nella breve lista di stati quantistici della materia conosciuti", ha commentato uno degli autori, Johannes Knolle (Cavendish Laboratory, Cambridge). Gli fa eco il suo collega Dmitry Kovrizhin (gruppo di ricerca Theory of Condensed Matter, Cambridge) nel dire che "è un passo importante per la nostra comprensione della materia quantistica. È divertente avere un nuovo stato quantistico che non avevamo mai visto prima – ci offre nuove possibilità di provare nuove cose".  

La scoperta andrà naturalmente verificata sperimentalmente prima di potersi ritenere del tutto valida, ma resta l'affascinante ipotesi di realizzare computer immensamente più potenti di quelli attuali, che abbandonino il silicio in favore degli stati sovrapposti alla base del calcolo quantistico. O, per metterla in un altro modo, un computer con dentro un sacco di gatti confusi riguardo alla propria esistenza.