Bit quantistici in trappola
Nel laboratorio di Jonathan Home, dispositivi di riempimento spaziale intrappolano piccoli ioni per portarli in speciali stati quantistici, forse un primo passo verso la costruzione di un computer quantistico.
Jonathan Home spiegherà cos'è e cosa può fare un computer quantistico alla conferenza TED, un incontro internazionale sull'innovazione divenuto un cult, che inizia il 16 marzo a Vancouver, in Canada. Come TED Fellow, l'ETH fa parte di un gruppo di giovani pionieri che, secondo la manifestazione, hanno raggiunto risultati straordinari. Ma il 34enne inglese è modesto: "La mia priorità è far funzionare in modo ottimale il gruppo di ricerca dell'ETH" e si rallegra quando i suoi studenti contribuiscono con nuove idee alle riunioni settimanali del gruppo. "? molto divertente".
Controllare i singoli atomi con la massima precisione e costruire sistemi quantistici a partire da essi: Questo è l'obiettivo del team di ricerca di Home, composto da 13 persone. Il suo laboratorio si trova presso l'Istituto di Elettronica Quantistica del 必博官网,必博体育 H?nggerberg. Una scatola nera alta un metro e mezzo contenente un laser è il punto di partenza degli esperimenti. Contiene la stessa tecnologia utilizzata per i moderni orologi atomici. "Ma qui non misuriamo il tempo", spiega la fisica: "Usiamo gli atomi come bit quantistici e ci interessa capire cosa succede quando li colleghiamo tra loro, cioè quando un atomo carico ne spinge un altro". Questo avviene in una trappola per ioni, allestita nella stanza accanto.
Raffreddamento con luce laser
Su un grande tavolo ci sono innumerevoli specchi, lenti e cristalli. Essi dirigono fasci laser di varie frequenze sulla trappola ionica, che si trova in una camera rotonda in fondo alla stanza. Poiché l'elemento centrale non è visibile all'occhio, Jonathan Home mostra un piccolo circuito stampato non ancora installato, sul quale è montato un quadrato metallico di dimensioni centimetriche. "Ha una fessura al centro larga da 10 a 100 micrometri; è una trappola per ioni", spiega. Al suo interno, singoli atomi di calcio o berillio carichi si trovano nel vuoto, circondati da minuscoli elettrodi d'oro che possono essere utilizzati per spostare gli ioni lungo la fenditura.
La luce laser viene utilizzata, tra l'altro, per raffreddare gli ioni. Ciò consente di estrarre energia cinetica da una singola particella. Impulsi laser personalizzati possono essere utilizzati per raffreddare uno ione a tal punto da fargli raggiungere il suo stato di massa meccanico quantistico. Nel loro ultimo esperimento, tuttavia, i ricercatori non volevano ottenere un singolo stato quantico, ma piuttosto una sovrapposizione di diversi stati speciali. "Per ottenere questo risultato, abbiamo modificato il raffreddamento", spiega Jonathan Home. Un sofisticato sistema di fasci laser di diversa frequenza è stato controllato dall'elettronica sviluppata in laboratorio.
Stabile nel fine settimana Chi siamo
L'esperto cerca di spiegare i risultati nel modo più chiaro possibile per i profani: Nella meccanica quantistica, un atomo può essere visto come un pacchetto di onde. In un tipo di stato, questo pacchetto ha una dimensione fissa e si muove avanti e indietro come un pendolo. "Tuttavia, il pacchetto può anche diventare più piccolo e più grande, come se respirasse", spiega Jonathan Home: "Questo lo chiamiamo stato compresso". Nel loro esperimento, i ricercatori sono riusciti a creare una speciale sovrapposizione di tali stati utilizzando un nuovo metodo, come hanno riportato sulla rivista Science alla fine di dicembre.
"La cosa particolarmente bella del nostro metodo di raffreddamento è che queste condizioni rimangono stabili per molto tempo", dice il fisico, "si possono creare e durano per tutto il fine settimana. Poiché il metodo è così robusto, potrebbe essere utilizzato per simulare sistemi fisici complessi, cosa che non è possibile con i computer convenzionali. I ricercatori non sanno ancora se il controllo preciso degli stati quantistici dei singoli ioni permetterà un giorno di costruire un computer quantistico.
Dal laboratorio del Premio Nobel a Zurigo
Jonathan Home ha acquisito gli strumenti per realizzare questi sofisticati esperimenti negli Stati Uniti con il premio Nobel David Wineland presso il rinomato National Institute of Standards and Technology (NIST) di Boulder, dove ha lavorato dopo la sua formazione all'Università di Oxford. Dieci anni fa, insieme ad altri studenti, ha partecipato a un progetto di biblioteca e istruzione in Ruanda. In termini di fisica, l'impresa non ha avuto molto successo, come ammette in apertura: "Ma dal punto di vista emotivo, il soggiorno in Ruanda è stato un'esperienza importante".
Jonathan Home vorrebbe tornare in Africa. Al momento, però, Chi siamo non è particolarmente contento di inviti e viaggi all'estero. Questo perché sua moglie ha dato alla luce il loro primo figlio poco più di un anno fa. Da allora, la famiglia ha avuto la priorità e il violino, su cui si esercitava per due ore al giorno da adolescente, è rimasto nella scatola. Ma il giovane professore di fisica non si lamenta affatto del troppo lavoro: "Ho un ottimo lavoro", dice con entusiasmo. L'ETH gli offre un ambiente ideale per svolgere le sue impegnative ricerche. Può anche contare sul supporto entusiasta del personale tecnico. "Questi specialisti mancano nella maggior parte delle altre università", afferma.
E come spiegherà il funzionamento di un computer quantistico ai profani delle scienze naturali presenti alla conferenza TED? "Possiamo mettere questi atomi in due stati contemporaneamente, ognuno dei quali si comporta come un piccolo orologio, ma di cui possiamo controllare con precisione il tempo", spiega la fisica. ? possibile inserire in questo sistema un'enorme quantità di numeri ed elaborarli simultaneamente. Ma come si fa a riconoscere il risultato corretto? Anche in questo caso si può pensare alle onde che si sovrappongono, spiega Jonathan Home: "Se andate al mare e vedete un picco d'onda che sporge dall'acqua, questa è la soluzione al problema".
Letteratura di riferimento
D. Kienzler, H.-Y. Lo, B. Keitch, L. de Clercq, F. Leupold, F. Lindenfelser, M. Marinelli, V. Negnevitsky, J. P. Home: Quantum harmonic oscillator state synthesis by reservoir engineering, Science, Vol. 347, no. 6217 pp. 53-56, DOI: pagina esterna10.1126/science.1261033
