I fisici del MIT hanno scoperto un nuovo bit quantistico, o "qubit", sotto forma di coppie vibranti di atomi noti come fermioni. Hanno scoperto che quando coppie di fermioni sono refrigerate e intrappolate in un reticolo ottico, le particelle possono esistere contemporaneamente in due stati, uno strano fenomeno quantistico noto come sovrapposizione. In questo caso, gli atomi hanno mantenuto una sovrapposizione di due stati vibrazionali, in cui la coppia oscillava l'uno contro l'altro mentre allo stesso tempo, oscillava anche in sincronia.
Il team è stato in grado di mantenere questo stato di sovrapposizione tra centinaia di coppie vibranti di fermioni. In tal modo, hanno raggiunto un nuovo "registro quantistico", o sistema di qubit, che sembra essere robusto per periodi di tempo relativamente lunghi. La scoperta, pubblicata il 26 gennaio 2022 sulla rivista Nature, dimostra che tali qubit traballanti potrebbero essere una base promettente per i futuri computer quantistici.
Un qubit rappresenta un'unità di base del calcolo quantistico. Dove un bit classico nei computer di oggi esegue una serie di operazioni logiche a partire da uno dei due stati, 0 o 1, un qubit può esistere in una sovrapposizione di entrambi gli stati. Mentre si trova in questo delicato stato intermedio, un qubit dovrebbe essere in grado di comunicare simultaneamente con molti altri qubit ed elaborare più flussi di informazioni alla volta, per risolvere rapidamente problemi che richiederebbero anni ai computer classici per essere elaborati.
Esistono molti tipi di qubit, alcuni dei quali sono progettati e altri esistono naturalmente. La maggior parte dei qubit sono notoriamente volubili, incapaci di mantenere la loro sovrapposizione o non disposti a comunicare con altri qubit. In confronto, il nuovo qubit del team del MIT sembra essere estremamente robusto, in grado di mantenere una sovrapposizione tra due stati vibrazionali, anche in mezzo al rumore ambientale, per un massimo di 10 secondi. Il team ritiene che i nuovi qubit vibranti potrebbero essere fatti interagire brevemente e potrebbero potenzialmente eseguire decine di migliaia di operazioni in un batter d'occhio.
"Stimiamo che dovrebbe volerci solo un millisecondo perché questi qubit interagiscano, quindi possiamo sperare in 10.000 operazioni durante quel periodo di coerenza, che potrebbe essere competitivo con altre piattaforme", ha affermato Martin Zwierlein, Thomas A. Frank Professor of Physics al MIT. Zwierlein è co-autore dell'articolo, insieme all'autore principale Thomas Hartke, Botond Oreg e Ningyuan Jia, che sono tutti membri del Laboratorio di ricerca elettronica del MIT.
La scoperta del team è avvenuta inizialmente per caso. Il gruppo di Zwierlein studia il comportamento degli atomi a densità ultrafredde e super-basse. Quando gli atomi vengono raffreddati a temperature un milionesimo di quello dello spazio interstellare, e isolati a densità un milionesimo di quella dell'aria, possono emergere fenomeni quantistici e nuovi stati della materia.
In queste condizioni estreme, Zwierlein e i suoi colleghi stavano studiando il comportamento dei fermioni. Un fermione è tecnicamente definito come qualsiasi particella che ha uno spin semi-intero dispari, come neutroni, protoni ed elettroni. In termini pratici, ciò significa che i fermioni sono spinosi per natura. Non ci sono due fermioni identici che possono occupare lo stesso stato quantistico, una proprietà nota come principio di esclusione di Pauli. Ad esempio, se un fermione gira verso l'alto, l'altro deve ruotare verso il basso.
Gli elettroni sono esempi classici di fermioni e la loro reciproca esclusione di Pauli è responsabile della struttura degli atomi e della diversità della tavola periodica degli elementi, insieme alla stabilità di tutta la materia nell'universo. I fermioni sono anche qualsiasi tipo di atomo con un numero dispari di particelle elementari, poiché questi atomi si respingerebbero naturalmente a vicenda.
Il team di Zwierlein stava studiando gli atomi fermionici di potassio-40. Hanno raffreddato una nuvola di fermioni fino a 100 nanokelvin (-273,15° C) e hanno usato un sistema di laser per generare un reticolo ottico in cui intrappolare gli atomi. Hanno sintonizzato le condizioni in modo che ciascun pozzo nel reticolo intrappolasse un paio di fermioni. Inizialmente, hanno osservato che in determinate condizioni, ogni coppia di fermioni sembrava muoversi in sincronia, come una singola molecola.
Per sondare ulteriormente questo stato vibrazionale, hanno dato un "calcio" a ogni coppia di fermioni, poi hanno preso immagini di fluorescenza degli atomi nel reticolo e hanno visto che ogni tanto, la maggior parte dei quadrati nel reticolo diventava scura, riflettendo le coppie legate in una molecola. Ma mentre continuavano a fotografare il sistema, gli atomi sembravano riapparire, in modo periodico, indicando che le coppie oscillavano tra due stati vibrazionali quantistici.
"Questa oscillazione mostra che c'è una sovrapposizione coerente che si evolve nel tempo. È stato un momento felice" ha affermato Zwierlein. Dopo ulteriori immagini e calcoli, i fisici hanno confermato che le coppie di fermioni stavano mantenendo una sovrapposizione di due stati vibrazionali, che si muovevano simultaneamente insieme, come due penduli che oscillano in sincronia, e anche l'una contro l'altra. "Oscillano tra questi due stati a circa 144 hertz", ha osservato Hartke. "Questa è una frequenza che potresti sentire, come un ronzio basso."
Il team è stato in grado di sintonizzare questa frequenza e controllare gli stati vibrazionali delle coppie di fermioni, di tre ordini di grandezza, applicando e variando un campo magnetico, attraverso un effetto noto come risonanza di Feshbach. "È come iniziare con due penduli non interagenti, e applicando un campo magnetico, creare una molla tra di loro e variare la forza di quella molla", ha spiegato Zwierlein.
In questo modo, sono stati in grado di manipolare simultaneamente circa 400 coppie di fermioni. Hanno osservato che come gruppo, i qubit hanno mantenuto uno stato di sovrapposizione fino a 10 secondi, prima che le singole coppie collassassero in uno o nell'altro stato vibrazionale.
"Dimostriamo di avere il pieno controllo sugli stati di questi qubit", ha dichiarato Zwierlein. Per realizzare un computer quantistico funzionale utilizzando qubit vibranti, il team dovrà trovare il modo di controllare anche le singole coppie di fermioni, un problema che i fisici sono già vicini a risolvere. La sfida più grande sarà trovare un modo per i singoli qubit di comunicare tra loro. Per questo, Zwierlein ha alcune idee.
"Questo è un sistema in cui sappiamo che possiamo far interagire due qubit", ha spiegato. "Ci sono modi per abbassare la barriera tra le coppie, in modo che si uniscano, interagiscano, quindi si dividano di nuovo, per circa un millisecondo.