Sviluppi Recenti nella Fisica Quantistica
I recenti progressi nel campo della fisica quantistica hanno portato a innovazioni significative nella creazione di nodi quantistici scalabili e stabili. Grazie all’applicazione della fisica dei sistemi a molti corpi, gli scienziati hanno manipolato i punti quantistici, trasformandoli in registri quantistici in grado di memorizzare e recuperare informazioni con alta fedeltà. Questo progresso rappresenta un passo cruciale verso la realizzazione di reti quantistiche, aprendo nuove opportunità nella comunicazione e nel calcolo.
Innovazione nelle Reti Quantistiche
Un articolo pubblicato su *Nature Physics* ha presentato un nuovo tipo di qubit con connessioni ottiche, segnando un avanzamento significativo nella creazione di reti quantistiche. Questi nodi quantistici devono essere:
- Scalabili
- Stabili
- Adattabili
I punti quantistici, strutture nanometriche con proprietà ottiche ed elettroniche uniche, sono già utilizzati in vari ambiti, come la tecnologia degli schermi e l’imaging medico. La loro capacità di emettere fotoni singoli ha suscitato un crescente interesse nel settore della comunicazione quantistica.
Tuttavia, la semplice emissione di fotoni non è sufficiente per costruire reti quantistiche efficaci. È fondamentale avere qubit stabili in grado di interagire con i fotoni e memorizzare localmente le informazioni quantistiche. La ricerca ha sfruttato i giri atomici all’interno dei punti quantistici, utilizzandoli come registri quantistici a molti corpi, capaci di mantenere le informazioni per periodi prolungati.
La Fisica dei Sistemi a Molti Corpi e la Memoria Quantistica
Il concetto di sistema a molti corpi si riferisce a un insieme di particelle interagenti, in questo caso, i giri nucleari all’interno dei punti quantistici. Il comportamento collettivo di queste particelle genera nuove proprietà emergenti. I ricercatori hanno sfruttato questi stati collettivi per creare registri quantistici robusti e scalabili.
Un team di scienziati dell’Università di Cambridge, in collaborazione con l’Università di Linz, ha ottenuto risultati straordinari, preparando con successo 13.000 giri nucleari in uno stato collettivo e intrecciato, noto come “stato oscuro”. Questo stato riduce l’interazione con l’ambiente, migliorando la coerenza e la stabilità del sistema. Inoltre, è stato introdotto uno stato complementare “uno”, rappresentato da un’unica eccitazione di magnon nucleare, consentendo di scrivere, memorizzare, recuperare e leggere informazioni quantistiche con alta fedeltà.
Potenziale dei Punti Quantistici
Mete Atatüre, co-autore principale dello studio e Professore di Fisica al Cavendish Laboratory, ha sottolineato l’importanza di questo progresso. I punti quantistici possono fungere da nodi multi-qubit, aprendo la strada a reti quantistiche con applicazioni significative nella comunicazione e nel calcolo distribuito. Questo lavoro si inserisce nell’Anno Internazionale della Quantistica 2025, evidenziando i progressi innovativi verso la realizzazione delle promesse delle tecnologie quantistiche.
La ricerca rappresenta un’intersezione unica tra fisica dei semiconduttori, ottica quantistica e teoria dell’informazione quantistica. I ricercatori hanno impiegato tecniche di controllo avanzate per polarizzare i giri nucleari nei punti quantistici di arsenico di gallio (GaAs), creando un ambiente a bassa rumorosità per operazioni quantistiche robuste.
Affrontare le Sfide di Lunga Data
Dorian Gangloff, co-autore principale del progetto e Professore Associato di Tecnologia Quantistica, ha spiegato come l’applicazione di tecniche di feedback quantistico abbia permesso di superare sfide storiche legate a interazioni magnetiche nucleari incontrollate. Questo progresso stabilisce i punti quantistici come nodi quantistici operativi e apre la porta a una potente piattaforma per esplorare nuove fisiche a molti corpi e fenomeni quantistici emergenti.
Prospettive Future per la Memoria e le Reti Quantistiche
Il team di Cambridge guarda al futuro con l’intento di estendere il tempo di memorizzazione del loro registro quantistico a decine di millisecondi. Questi miglioramenti renderebbero i punti quantistici ideali come memorie quantistiche intermedie nei ripetitori quantistici, componenti essenziali per collegare computer quantistici distanti. Questo ambizioso obiettivo è al centro del nuovo progetto QuantERA, MEEDGARD, una collaborazione con Linz e altri partner europei, finalizzata a far progredire le tecnologie di memoria quantistica.
La ricerca attuale è sostenuta da diverse istituzioni, tra cui l’EPSRC, l’Unione Europea, l’Ufficio della Ricerca Navale degli Stati Uniti e la Royal Society.
Riferimento
Un registro quantistico a molti corpi per un qubit di spin di Martin Hayhurst Appel, Alexander Ghorbal, Noah Shofer, Leon Zaporski, Santanu Manna, Saimon Filipe Covre da Silva, Urs Haeusler, Claire Le Gall, Armando Rastelli, Dorian A. Gangloff e Mete Atatüre, 24 gennaio 2025, *Nature Physics*. DOI: 10.1038/s41567-024-02746-z.
