Un gruppo di ricerca internazionale guidato dall'Accademia Cinese delle Scienze ha raggiunto un traguardo significativo nel controllo delle proprietà quantistiche della materia a livello atomico. Gli scienziati sono riusciti a manipolare elettricamente l'interferenza quantistica di singoli spin atomici depositati su superfici isolanti, aprendo prospettive concrete per lo sviluppo di processori quantistici basati su architetture atomiche. La ricerca, condotta in collaborazione con l'International Iberian Nanotechnology Laboratory e pubblicata su Nature Communications, rappresenta un passo avanti nella capacità di governare fenomeni quantistici su scala nanometrica.
Il fenomeno al centro dello studio è noto come interferenza di Landau-Zener-Stückelberg-Majorana, o LZSM, un effetto che si manifesta quando un sistema quantistico a due livelli viene fatto transitare ripetutamente attraverso un punto di anticrossing nel diagramma energetico. Durante questo processo, il sistema subisce molteplici transizioni non adiabatiche che generano pattern di interferenza costruttiva o distruttiva, simili per certi versi alle figure di interferenza luminosa studiate nell'ottica classica, ma governate dalle leggi della meccanica quantistica.
La chiave del successo sperimentale risiede nell'utilizzo di uno strumento all'avanguardia: un microscopio a effetto tunnel equipaggiato con risonanza di spin elettronico, denominato ESR-STM. Questa tecnologia permette non solo di visualizzare singoli atomi, ma anche di sondare e manipolare i loro stati di spin con precisione senza precedenti. Gli scienziati hanno sviluppato un metodo completamente elettrico per controllare l'interferenza quantistica, modulando le interazioni tra la punta del microscopio e gli atomi mediante campi elettrici intensi confinati su scala atomica.
I ricercatori hanno osservato ricchi pattern di interferenza applicando questa tecnica a singoli atomi di titanio depositati su film isolanti. Le misurazioni hanno rivelato fenomeni complessi come risonanze multifotoniche e segnature caratteristiche del trasferimento di coppia di spin. Queste osservazioni dimostrano che è possibile pilotare rapidamente gli stati quantistici attraverso le regioni di anticrossing, ottenendo un controllo preciso dell'evoluzione temporale del sistema.
Particolarmente significativi sono stati gli esperimenti condotti su coppie di spin accoppiati con interazioni regolabili. Gli spettri LZSM multilivello hanno mostrato pattern di interferenza distintivi che dipendono dal paesaggio energetico a molti corpi del sistema. Questa capacità di distinguere e manipolare stati quantistici in sistemi di spin accoppiati rappresenta un requisito essenziale per la realizzazione di architetture di calcolo quantistico scalabili.
Il team guidato dal professor Yang Kai dell'Istituto di Fisica dell'Accademia Cinese delle Scienze, in collaborazione con il professor Joaquín Fernández-Rossier, ha dimostrato che il loro approccio funziona efficacemente nel cosiddetto regime fortemente guidato, dove i sistemi quantistici sono sottoposti a perturbazioni intense e rapide. Questa caratteristica è cruciale per applicazioni pratiche, poiché consente manipolazioni veloci e robuste degli stati quantistici, riducendo l'impatto del rumore ambientale e della decoerenza.
L'interferenza quantistica rappresenta uno dei fenomeni più affascinanti e controintuitivi della fisica moderna, manifestandosi quando un sistema esiste in una sovrapposizione di stati con fasi relative che producono effetti di interferenza. Nel contesto degli spin atomici su superfici, questo fenomeno può essere sfruttato per implementare operazioni logiche quantistiche, memorizzare informazioni e creare stati entangled, elementi fondamentali per qualsiasi tecnologia quantistica avanzata.
Le implicazioni di questa ricerca vanno oltre la dimostrazione di principio. La possibilità di assemblare con precisione multipli spin su una superficie e di controllarne le interazioni su richiesta apre nuove strade per la progettazione di processori quantistici basati su architetture atomiche. A differenza di altri approcci al calcolo quantistico che richiedono complesse infrastrutture criogeniche o sistemi ottici sofisticati, il metodo completamente elettrico sviluppato dai ricercatori potrebbe risultare più facilmente integrabile con le tecnologie esistenti.