La quantistica si avvicina ad una svolta. Un team di fisici dell’Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms e di altre università hanno sviluppato uno speciale tipo di computer quantistico noto come simulatore quantistico programmabile, in grado di funzionare con 256 bit quantistici, o “qubit”.
Il sistema segna un passo importante verso la costruzione di macchine quantistiche su larga scala che potrebbero essere utilizzate per far luce su una serie di processi quantistici complessi e alla fine aiutare a realizzare scoperte reali nella scienza dei materiali, nelle tecnologie della comunicazione, nella finanza e in molti altri campi, superare ostacoli alla ricerca che vanno oltre le capacità anche dei supercomputer più veloci odierni.
I qubit sono gli elementi costitutivi fondamentali su cui girano i computer quantistici e la fonte della loro enorme potenza di elaborazione. “Questo sposta il campo in un nuovo dominio in cui nessuno è mai stato finora”, ha affermato Mikhail Lukin, professore di fisica George Vasmer Leverett, co-direttore dell’Harvard Quantum Initiative e uno degli autori senior dello studio, pubblicato da poco sulla rivista Nature, “stiamo entrando in una parte completamente nuova del mondo quantistico”.
Secondo Sepehr Ebadi, uno studente di fisica della Graduate School of Arts and Sciences e autore principale dello studio, è la combinazione di dimensioni e programmabilità senza precedenti del sistema che lo pone all’avanguardia nella corsa per un computer quantistico, che sfrutta il misteriose proprietà della materia su scale estremamente piccole per aumentare notevolmente la potenza di elaborazione.
Nelle giuste circostanze, l’aumento dei qubit significa che il sistema può memorizzare ed elaborare esponenzialmente più informazioni rispetto ai bit classici su cui girano i computer standard. “Il numero di stati quantistici che sono possibili con solo 256 qubit supera il numero di atomi nel sistema solare”, ha detto Ebadi, spiegando le vaste dimensioni del sistema.
Quantistica: applicazioni commerciali e di ricerca
Il simulatore ha già permesso ai ricercatori di osservare diversi stati quantistici esotici della materia che non erano mai stati realizzati sperimentalmente prima e di eseguire uno studio di transizione di fase quantistica così preciso da fungere da esempio da manuale di come funziona il magnetismo a livello quantistico.
Questi esperimenti forniscono potenti informazioni sulla fisica quantistica alla base delle proprietà dei materiali e possono aiutare a mostrare agli scienziati come progettare nuovi materiali con proprietà esotiche.
Il progetto utilizza una versione notevolmente aggiornata di una piattaforma sviluppata dai ricercatori nel 2017, in grado di raggiungere una dimensione di 51 qubit. Quel vecchio sistema ha permesso ai ricercatori di catturare atomi di rubidio ultrafreddi e di disporli in un ordine specifico utilizzando una serie unidimensionale di raggi laser focalizzati individualmente chiamati pinzette ottiche.
Questo nuovo sistema consente di assemblare gli atomi in matrici bidimensionali di pinzette ottiche. Ciò aumenta la dimensione del sistema realizzabile da 51 a 256 qubit. Utilizzando le pinzette, i ricercatori possono disporre gli atomi in schemi privi di difetti e creare forme programmabili come reticoli quadrati, a nido d’ape o triangolari per progettare diverse interazioni tra i qubit.
“Il cavallo di battaglia di questa nuova piattaforma è un dispositivo chiamato modulatore di luce spaziale, che viene utilizzato per modellare un fronte d’onda ottico per produrre centinaia di fasci di pinzette ottiche focalizzate individualmente”, ha affermato Ebadi, che continua: “Questi dispositivi sono essenzialmente gli stessi di quelli utilizzati all’interno di un proiettore per computer per visualizzare le immagini su uno schermo, ma li abbiamo adattati per essere un componente fondamentale del nostro simulatore quantistico”.
Il caricamento iniziale degli atomi nelle pinzette ottiche è casuale e i ricercatori devono spostare gli atomi per sistemarli nelle loro geometrie target. I ricercatori usano un secondo set di pinzette ottiche mobili per trascinare gli atomi nelle posizioni desiderate, eliminando la casualità iniziale. I laser offrono ai ricercatori il controllo completo sul posizionamento dei qubit atomici e sulla loro manipolazione quantistica coerente.
Altri autori senior dello studio includono i professori di Harvard Subir Sachdev e Markus Greiner, che hanno lavorato al progetto insieme al professore del Massachusetts Institute of Technology Vladan Vuleti, e gli scienziati di Stanford, l’Università della California Berkeley, l’Università di Innsbruck in Austria, il Accademia austriaca delle scienze e QuEra Computing Inc. a Boston.
“Il nostro lavoro fa parte di una corsa globale davvero intensa e ad alta visibilità per costruire computer quantistici più grandi e migliori”, ha affermato Tout Wang, ricercatore associato in fisica ad Harvard e uno degli autori dell’articolo. “Lo sforzo complessivo oltre il nostro ha coinvolto i migliori istituti di ricerca accademici e importanti investimenti del settore privato da parte di Google, IBM, Amazon e molti altri”.
I ricercatori stanno attualmente lavorando per migliorare il sistema migliorando il controllo laser sui qubit e rendendo il sistema più programmabile. Stanno anche esplorando attivamente come il sistema può essere utilizzato per nuove applicazioni, che vanno dal sondare forme esotiche di materia quantistica alla risoluzione di problemi del mondo reale impegnativi che possono essere codificati naturalmente sui qubit.
“Questo lavoro consente un vasto numero di nuove direzioni scientifiche”, ha detto Ebadi. “Non siamo affatto vicini ai limiti di ciò che si può fare con questi sistemi”.
Questo lavoro è stato sostenuto dal Center for Ultracold Atoms, dalla National Science Foundation, dalla Vannevar Bush Faculty Fellowship, dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, dall’Ufficio per la ricerca navale, dall’Ufficio di ricerca dell’esercito MURI e dal programma DARPA ONISQ.
