Mercoledì, 19 Agosto 2020 11:09

Ricerca. Scoperto come far durare gli stati quantistici 10.000 volte di più

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La semplice innovazione dovrebbe aprire molteplici nuove strade per la scienza quantistica 

La tecnologia quantistica promette nuove fantastiche possibilità. Ma prima, gli scienziati devono convincere i sistemi quantistici a rimanere vincolati per più di pochi milionesimi di secondo.

Un team di scienziati della Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago ha annunciato una scoperta rivoluzionaria che atttraverso una semplice modifica consente ai sistemi quantistici di rimanere operativi - o "coerenti" - 10.000 volte più a lungo di prima. Sebbene gli scienziati abbiano testato la loro tecnica su una particolare classe di sistemi quantistici chiamati qubit a stato solido, (contrazione di quantum bit, è il termine coniato da Benjamin Schumacher per indicare il bit quantistico ovvero l'unità di informazione quantistica ndr.), pensano che dovrebbe essere applicabile a molti altri tipi di sistemi quantistici e potrebbe quindi rivoluzionare la comunicazione quantistica, il calcolo e il rilevamento.

"Questa svolta getta le basi per nuove entusiasmanti opportunità di ricerca nella scienza quantistica", ha affermato l'autore principale dello studio David Awschalom, professore di ingegneria molecolare presso l'Argonne National Laboratory e direttore dell’Università di Chicago Quantum Exchange. “L'ampia applicabilità di questa scoperta, unita a un'implementazione straordinariamente semplice, consente a questo processo di avere un impatto su molti aspetti dell'ingegneria quantistica. Consente nuove opportunità di ricerca precedentemente ritenute impraticabili ".

A livello degli atomi, il mondo funziona secondo le regole della meccanica quantistica, molto diverso da ciò che vediamo intorno a noi nella nostra vita quotidiana. Queste diverse regole potrebbero tradursi in tecnologie come reti virtualmente inattaccabili o computer estremamente potenti; il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha rilasciato un progetto per il futuro Internet quantistico in un evento all’Università di Chicago svoltosi il 23 luglio. Ma rimangono sfide ingegneristiche fondamentali: gli stati quantistici hanno bisogno di uno spazio estremamente silenzioso e stabile per operare, poiché sono facilmente disturbati dal rumore di fondo proveniente da vibrazioni, sbalzi di temperatura o campi elettromagnetici vaganti.

"Con questo approccio, non cerchiamo di eliminare il rumore nell'ambiente circostante; invece, "inganniamo" il sistema facendogli credere di non sentire il rumore ", ha detto il ricercatore post-dottorato Kevin Miao.

Con i soliti impulsi elettromagnetici utilizzati per controllare i sistemi quantistici, il team ha applicato un ulteriore campo magnetico alternato continuo. Sintonizzando con precisione questo campo, gli scienziati potrebbero ruotare rapidamente gli spin elettronici e consentire al sistema di "sintonizzare" il resto del rumore.

"Per avere un'idea del principio, è come stare seduti su una giostra con persone che urlano tutt'intorno a te", ha spiegato Miao. "Quando la corsa è ferma, puoi sentirli perfettamente, ma se giri rapidamente, il rumore si confonde in uno sfondo."

Questo piccolo cambiamento ha permesso al sistema di rimanere coerente fino a 22 millisecondi, quattro ordini di grandezza in più e molto più a lungo di qualsiasi sistema di spin elettronico precedentemente riportato. (Per avere un’idea, un battito di ciglia dura circa 350 millisecondi). Il sistema è in grado di sintonizzare quasi completamente alcune forme di fluttuazioni di temperatura, vibrazioni fisiche e rumore elettromagnetico, che di solito distruggono la coerenza quantistica.


"Con questo approccio, non cerchiamo di eliminare il rumore nell'ambiente circostante; invece, "inganniamo" il sistema facendogli credere di non sentire il rumore.

 Kevin Miao, ricercatore post-dottorato


 

La semplice soluzione potrebbe sbloccare scoperte praticamente in ogni area della tecnologia quantistica, hanno detto gli scienziati.

"Questo approccio crea un percorso verso la scalabilità", ha affermato Awschalom. “Dovrebbe rendere pratica la memorizzazione di informazioni quantistiche nello spin elettronico. Tempi di archiviazione estesi consentiranno operazioni più complesse nei computer quantistici e consentiranno alle informazioni quantistiche trasmesse da dispositivi basati su spin di viaggiare per distanze maggiori nelle reti ".

Sebbene i loro test siano stati eseguiti in un sistema quantistico a stato solido utilizzando carburo di silicio, gli scienziati ritengono che la tecnica dovrebbe avere effetti simili in altri tipi di sistemi quantistici, come bit quantistici superconduttori e sistemi quantistici molecolari. Questo livello di versatilità è insolito per un tale progresso ingegneristico.

"Ci sono molti candidati per la tecnologia quantistica che sono stati messi da parte perché non potevano mantenere la coerenza quantistica per lunghi periodi di tempo", ha detto Miao. “Questi, ora, potrebbero essere rivalutati visto che questo modo migliora in modo massiccio la coerenza. "La parte migliore è che è incredibilmente facile da fare", ha aggiunto. "La scienza alla base è complessa, ma la logistica dell'aggiunta di un campo magnetico alternato è molto semplice."

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