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Non solo Nobel: nuovo passo verso il computer quantistico

CRONACA- Meno di due settimane fa, Serge Haroche e David Wineland ricevevano il Nobel per la Fisica 2012 per i loro studi sui bit quantistici (qubit), fondamentali per la futura costruzione di computer quantistici.

I due Nobel, com’è facile immaginare, non sono i soli a occuparsi di questa materia, tra le più promettenti della fisica teorica e applicata. Qualche giorno fa, è arrivata dall’Università di Princeton, Stati Uniti, la notizia di un’interessante variazione sul tema. Un gruppo di ricercatori ha, infatti, pubblicato su Nature uno studio su un metodo che permetterebbe un trasferimento rapido e affidabile d’informazioni quantistiche attraverso un nuovo apparato sperimentale.

I risultati del gruppo, guidato da Jason Petta, rappresentano un ulteriore passo verso computer quantistici che manipolino milioni di qubit, laddove finora si è riusciti a lavorare soltanto con un numero limitato di qubit. Per rendere possibile il trasferimento d’informazione, Petta ha usato un flusso di fotoni di microonde per analizzare lo stato di rotazione – spin – di una coppia di elettroni intrappolati in una gabbia, detta punto quantico. Lo spin elettronico serve da qubit, e funge da unità primaria d’informazione. Il flusso di microonde permette poi di leggere le informazioni.

“Abbiamo creato una cavità con specchi ai due estremi: invece di riflettere la luce visibile, però, riflettono le microonde”, spiega Petta. “Quindi inviamo le microonde verso un’estremità, e guardiamo in che stato escono dall’altra: le microonde sono influenzate dallo stato di rotazione degli elettroni nella cavità, il che ci permette di  inferire i cambiamenti”.

L’aspetto più importante del computer quantistico non è tanto il fatto che sia in grado di eseguire le stesse operazioni di un computer normale, soltanto a velocità molto maggiore, ma che ci renda in grado di risolvere problemi che, con un computer classico, non sarebbero risolvibili, come la decifrazione di particolari tipi di codici o la predizione del comportamento delle molecole.

Per osservare gli stati di rotazione senza disturbare le proprietà quantistiche di un sistema (impresa riuscita ai due Nobel per un numero limitato di qubit), occorre costruire un processore quantistico adeguato, e Petta ha approcciato il problema combinando tecniche di due campi scientifici: la scienza dei materiali e l’ottica. Dalla prima, il gruppo ha mutuato la struttura del punto quantico, per analizzare gli spin elettronici; dalla seconda, ha adottato un canale microonda per trasferire l’informazione sugli spin dal punto quantico.

Dopo aver isolato una coppia di elettroni in un filo di uno speciale materiale semiconduttore, i ricercatori hanno creato delle gabbie lungo il filo – immaginatele come i piani di un edificio, e supponete che a ogni piano non possano vivere più di due persone. Gli elettroni si dispongono nelle gabbie secondo il loro livello di energia. Per leggere il valore degli spin, poiché elettroni in stato di rotazione uguale si respingono, mentre in stato di rotazione opposto si attraggono, il gruppo ha manipolato gli elettroni in un certo livello energetico, per poi ‘guardarne’ le posizioni. Se gli elettroni sono nella stessa gabbia, significa che stanno ruotando in direzioni opposte; se sono in gabbie diverse, ruotano nella stessa direzione.  Una volta trasferita l’informazione sullo stato della coppia nel canale microonda, si ha il qubit.

Per ora, il gruppo di Princeton cerca di migliorare l’affidabilità dell’apparato per una sola coppia di elettroni; dopodiché, punterà ad aggiungere altri punti quantici per creare più qubit. In principio, almeno, non ci dovrebbero essere ostacoli rilevanti, ma non si sa esattamente cosa possa accadere, in termini di difficoltà di realizzazione, di fronte a un sistema che aumenta molto di complessità all’aumentare del numero dei qubit.

Crediti immagine: mac.rj

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