Gli atomi neutri ultrafreddi hanno aiutato a superare l’annosa sfida della costruzione di sistemi quantistici
La gara della tecnologia quantistica è viva. A ottobre, l’UE ha varato l’ammiraglia delle tecnologie quantistiche, un’iniziativa da 1 miliardo di euro che finanzierà oltre 5 000 ricercatori per i prossimi 10 anni. Il Congresso degli Stati Uniti, d’altra parte, ha appena risposto con 1,2 miliardi di dollari stanziati per le tecnologie quantistiche, mentre stavamo scrivendo queste righe. Certo, i primi prototipi di computer quantistici esistono già, ma restano molti ostacoli anche nella ricerca fondamentale, uno dei quali è la necessità di una maggiore precisione nella manipolazione e nelle interazioni dei singoli qubit. Il progetto QuantuM-nano mirava a risolvere questo problema concentrandosi su atomi neutri ultrafreddi, distanziandosi quindi dall’approccio più comune dell’informatica quantistica che utilizza circuiti superconduttori. «Gli atomi neutri ultrafreddi hanno molte proprietà interessanti. Ad esempio, tutti gli atomi di una data specie sono intrinsecamente identici, il che è un vantaggio quando li si utilizza come qubit», afferma il prof. Jakob Reichel del Laboratoire Kastler Brossel di Parigi, coordinatore del progetto. «Gli atomi neutrali possono anche essere molto ben isolati dal mondo esterno: sono tipicamente intrappolati da campi elettromagnetici all’interno di una camera a vuoto, che aiuta a preservare il loro comportamento quantico. Sono anche relativamente facili da gestire grazie agli incredibili progressi della fisica atomica e della tecnologia laser negli ultimi decenni. Infine, la loro assenza di carica elettrica è un vantaggio quando si tenta di scalare i sistemi intrappolando molti atomi all’interno di un piccolo volume». Mentre il valore degli atomi ultrafreddi per le simulazioni quantistiche era già stato studiato e riconosciuto, QuantuM-nano si distingue con un nuovo approccio consistente nella costruzione di catene di qubit atomici. Ogni qubit atomico è confinato in una trappola ottica individuale mentre i siti di cattura vuoti vengono tutti eliminati, portando a catene prive di difetti al 100 %. Questo, a sua volta, consente di allineare gli atomi in un ordine perfettamente regolare. «Da lì abbiamo iniziato a esplorare due metodi per far interagire i qubit: interazioni dipolari e scambio coerente di fotoni in una cavità», spiega il dott. Sylvain Schwartz, ora al Laboratoire Kastler Brossel, che ha lavorato ad Harvard per due anni nel quadro del progetto. Le scoperte del progetto hanno permesso la creazione di un grande simulatore quantistico programmabile con un massimo di 51 atomi, con quello che il dott. Schwartz qualifica come grado di controllo senza precedenti. «Con questa piattaforma potremmo esplorare il diagramma di fase di un’Hamiltoniana di Ising, studiare le dinamiche di varie transizioni di fase quantistiche e preparare stati intrappolati a due atomi basati sulle interazioni di Rydberg con la massima fedeltà sinora segnalata, oltre il 97 %», afferma. In futuro, il Prof Reichel spera che queste piattaforme saranno utilizzate per implementare algoritmi di ottimizzazione quantistica, dove un problema difficile da risolvere su un computer classico è codificato in un sistema quantistico in modo tale che il sistema si evolva naturalmente verso la soluzione desiderata, anche se c’è ancora molto lavoro da fare. «Combinati con cavità ottiche, questi sistemi potrebbero anche servire a creare stati quantistici metrologicamente utili che spingano i limiti di orologi atomici d’avanguardia, che a loro volta potrebbero trovare applicazioni in geodesia o per testare alcune leggi fondamentali della fisica che sono ancora in discussione», spiega. Il consorzio ora intende estendere la propria ricerca dagli atomi monovalenti con una struttura relativamente semplice, come il rubidio, agli atomi divalenti come lo stronzio, che dovrebbero essere usati negli orologi atomici di domani.
Parole chiave
QuantuM-nano, sistemi quantistici, qubit atomici, atomi ultrafreddi, atomi neutri