Quali fattori determinano la velocità con cui un computer quantistico può eseguire i suoi calcoli? I fisici dell'Università di Bonn e del Technion - Israel Institute of Technology hanno ideato un elegante esperimento per rispondere a questa domanda. I risultati dello studio sono pubblicati sulla rivista Science Advances.
I computer quantistici sono macchine altamente complesse che si basano sui principi della meccanica quantistica per elaborare le informazioni. Ciò dovrebbe consentire loro di risolvere alcuni problemi in futuro, che sono completamente irrisolvibili per i computer convenzionali.
Ma anche per i computer quantistici esistono limiti fondamentali alla quantità di dati che possono elaborare in un dato momento.
Le porte quantistiche richiedono un minimo di tempo:
Le informazioni memorizzate nei normali computer possono essere pensate come una lunga sequenza di uno e zero, cioè bit.
Nella meccanica quantistica, tutto è diverso: le informazioni sono memorizzate in bit quantistici (qubit), che assomigliano a un'onda, e non a una serie di valori discreti. I fisici parlano anche di funzioni d'onda quando vogliono rappresentare accuratamente le informazioni contenute nei qubit.
In un computer tradizionale, le informazioni sono interconnesse da ciò che è noto come gate. La combinazione di più porte consente di eseguire calcoli elementari come l'aggiunta di due bit.
Le informazioni vengono elaborate in modo molto simile nei computer quantistici, dove le porte quantistiche cambiano la funzione d'onda secondo determinate regole.
Le porte quantistiche assomigliano ai loro cugini tradizionali sotto un altro aspetto: "Anche nel mondo quantistico, le porte non funzionano infinitamente velocemente", spiega il dott. Andrea Alberti dell'Istituto di fisica applicata dell'Università di Bonn. "Hanno bisogno di un tempo minimo per trasformare la funzione d'onda e le informazioni in essa contenute".
Più di 70 anni fa, i fisici sovietici Leonid Mandelstam e Igor Tamm derivarono teoricamente questo tempo minimo di trasformazione per la funzione d'onda. I fisici dell'Università di Bonn e del Technion sono stati i primi a studiare questo limite di Mandelstam-Tamm usando un esperimento su un sistema quantistico complesso.
Per fare questo, hanno usato atomi di cesio che si muovevano in modo strettamente controllato. "In un esperimento, lasciamo che i singoli atomi rotolino come palline in una ciotola di luce e li osserviamo muoversi", spiega Andrea Alberti, che ha guidato lo studio sperimentale.
Gli atomi possono essere descritti dalla meccanica quantistica come onde di materia. Mentre viaggiano verso il fondo della ciotola di luce, le loro informazioni quantistiche cambiano. I ricercatori volevano sapere come è possibile rilevare questa "deformazione" il prima possibile. Quindi un tale tempo diventerebbe una prova sperimentale del limite di Mandelstam-Tamm.
Il problema, tuttavia, è che nel mondo quantistico, ogni misurazione della posizione di un atomo altera inevitabilmente l'onda materiale in modo imprevedibile. Pertanto, sembra sempre deformato, indipendentemente dalla velocità con cui viene eseguita la misurazione. "Pertanto, abbiamo sviluppato un metodo diverso per rilevare le deviazioni dalla linea di base", afferma Andrea Alberti.
A tal fine, i ricercatori hanno iniziato creando un clone dell'onda materiale, in altre parole, un duplicato quasi esatto.
"Abbiamo usato impulsi luminosi veloci per creare quella che viene chiamata una sovrapposizione quantistica di due stati di un atomo", spiega Gal Ness, l'autore dello studio. "In senso figurato, un atomo si comporta come se avesse due colori diversi contemporaneamente".
A seconda del colore, ogni gemello atomico prende la propria posizione nella ciotola luminosa: uno è in alto sul bordo e da lì "rotola verso il basso". L'altro, invece, è già sul fondo della ciotola. Questo gemello non si muove e, quindi, non cambia la sua funzione d'onda.
I fisici confrontavano regolarmente i due cloni. Lo hanno fatto utilizzando una tecnica chiamata interferenza quantistica, che consente di rilevare le differenze nelle onde in modo molto accurato. Ciò ha permesso loro di determinare dopo che ora si è verificata per la prima volta una deformazione significativa dell'onda materiale.
Modificando l'altezza sopra il fondo della ciotola all'inizio dell'esperimento, i fisici potrebbero anche controllare l'energia media dell'atomo. Media, perché, in linea di principio, è impossibile determinare l'importo esatto. Di conseguenza, l'"energia di posizione" di un atomo è sempre indefinita.
"Siamo stati in grado di dimostrare che il tempo minimo per il cambiamento di un'onda materiale dipende da questa incertezza energetica", affermano gli scienziati, "maggiore è l'incertezza, più breve è il tempo di Mandelstam-Tamm".
Questo è esattamente ciò che i due fisici sovietici avevano predetto. Ma c'era anche un secondo effetto: se l'incertezza energetica aumentava sempre di più fino a superare l'energia atomica media, allora il tempo minimo non diminuiva ulteriormente - contrariamente a quanto ipotizzato in realtà dal limite di Mandelstam-Tamm.
Pertanto, i fisici hanno dimostrato il secondo limite di velocità, che è stato scoperto teoricamente circa 20 anni fa. Pertanto, il limite di velocità nel mondo quantistico è determinato non solo dall'incertezza dell'energia, ma anche dall'energia media.
2021-12-25 23:29:20
Autore: Vitalii Babkin