i computer Quantistici del futuro potrebbe operare tramite l’energia transizioni di atomi eccitati, o anche da pura luce, se la rapida crescita dell’area della fisica atomica continua a soddisfare con successo, scrive Keith Cooper
Per i fisici inseguendo il santo graal di quantum computing, una ricetta gustosa sta diventando sempre più diffuso., Cospargere una manciata di atomi – il rubidio è un ingrediente popolare – in una camera a vuoto. Trattare con raggi laser per raffreddare gli atomi a semplici frazioni di grado superiore allo zero assoluto. Quindi aggiungere un paio di fotoni e hey presto-hai creato uno dei blocchi di base di un computer quantistico.
Almeno, “questa è l’idea di base”, dice Mark Saffman, un fisico atomico presso l’Università del Wisconsin–Madison negli Stati Uniti. Al centro di tutto ci sono gli atomi di Rydberg, che hanno un singolo elettrone di valenza esterna che può essere eccitato a stati quantici più alti. Sono i grandi papà del mondo atomico., Tipicamente un nucleo atomico ha dimensioni femtometriche, ma in un atomo di Rydberg l’elettrone di valenza eccitato può viaggiare micron dal nucleo pur rimanendo legato ad esso, gonfiando il raggio atomico di un miliardo di volte. Con una portata così grande, un atomo di Rydberg può interagire con altri atomi vicini tramite un potente momento di dipolo elettrico un milione di volte meglio degli atomi “ordinari”. È questo potere interattivo-e la capacità di controllarlo con un singolo fotone scelto con cura – che rende gli atomi di Rydberg una forza così potente nel mondo dei sistemi di informazione quantistica.,
Tecnologia gateway
Al centro di qualsiasi computer, digitale o quantistico, ci sono le porte logiche. Un computer quantistico funziona su scala atomica, dove regna la meccanica quantistica, il che significa che anche le porte logiche devono essere costruite con atomi. Un gate NOT, ad esempio, ha un singolo input e due stati, 0 e 1, ma affinché il gate funzioni richiede che gli atomi non interagiscano solo, ma che l’interazione sia controllata. La forza a dipolo elettrico degli atomi di Rydberg e la nostra capacità di controllare la loro eccitazione li rende perfetti per porte logiche quantistiche.,
Nel 2010 Saffman e i suoi colleghi del Wisconsin hanno dimostrato la capacità di costruire porte logiche utilizzando due atomi di rubidio neutro, completando il lavoro condotto da un team guidato da Philippe Grangier presso l’Institut d’Optique vicino a Parigi. La versione quantistica di un NON gate è il Controllato-NON, o CNOT, gate, in cui gli atomi di rubidio stessi sono i bit quantici – o “qubit” – di informazioni. Uno è etichettato come ” controllo “e l’altro come”bersaglio”., Nel loro stato fondamentale, che sfoggia vari stati iperfini che contengono le informazioni quantistiche, gli atomi non interagiscono – i quattro micron che li separano potrebbero anche essere un infinito. Tuttavia, eccitando l’atomo di controllo nello stato di Rydberg sparando un fotone risonante che viene assorbito, l’elettrone di valenza sale a un livello di energia più elevato, estendendo la sua portata sufficientemente da consentire un’interazione con l’atomo bersaglio, “capovolgendolo” e permettendo al gate CNOT di funzionare., “Usando il laser per eccitare l’atomo di controllo, possiamo attivare l’interazione ed eseguire la nostra porta logica, prima di riportare gli atomi allo stato fondamentale”, afferma Saffman.
Precedenti esperimenti avevano usato ioni per creare porte CNOT, ma il problema con gli ioni è che, essendo caricati, non esiste un modo semplice per disattivare le loro interazioni, il che limita quanti possono essere combinati in un qubit stabile. Gli atomi neutri di Rydberg, tuttavia, non affrontano questo problema. Questo non vuol dire che gli atomi di Rydberg sono un nuovo sviluppo – sono stati conosciuti dalla fine del 1800., Ciò che ha davvero stimolato lo sviluppo della fisica di Rydberg è stato l’avvento del laser trapping e del raffreddamento, per il quale Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji e William Phillips hanno condiviso il premio Nobel per la fisica nel 1997. È questa capacità dei fisici di tenere e manipolare singoli atomi usando la luce che ha aperto la strada agli atomi di Rydberg per essere utilizzati in nuove applicazioni esotiche.
Fortemente spostato
I laser possono essere utilizzati per creare una “trappola a dipolo ottico” che può contenere e raffreddare gli atomi a mero microkelvin sopra lo zero assoluto, o anche fino a nanokelvin in alcuni casi., Incrociando i laser, questo metodo può essere espanso in un reticolo ottico 2D o 3D. I laser sono sintonizzati su un colore distinto dalla frequenza di risonanza dell’atomo, per evitare che gli atomi assorbano uno qualsiasi dei fotoni (che darebbe loro energia per saltare fuori dalla trappola). A questo punto, entra in gioco un fenomeno noto come effetto Stark, che è lo spostamento dei livelli di energia di un atomo in risposta a un campo elettrico di corrente alternata, come in quello prodotto da un’onda elettromagnetica. Per gli atomi dello stato fondamentale, i livelli di energia vengono spostati su un’energia leggermente inferiore., La parte più intensa dei raggi laser, che è dove si incrociano nel reticolo, diventa quindi un potenziale pozzo in cui gli atomi rimangono intrappolati, perché è qui che sperimentano il più grande spostamento e perdono la maggior parte dell’energia (figura 1).
Una volta intrappolati, gli atomi possono quindi essere eccitati allo stato di Rydberg sparando un fotone di frequenza di risonanza contro di loro. Il problema è che l’energia del fotone risonante può scuotere l’atomo dalla trappola, e quindi è stata avviata la ricerca di “lunghezze d’onda magiche” che possono intrappolare ed eccitare un atomo allo stesso tempo., Nel 2015, basandosi sul lavoro di quasi un decennio di fisici atomici, un gruppo guidato dal fisico Trey Porto presso il Joint Quantum Institute dell’Università del Maryland, negli Stati Uniti, ha trovato una frequenza magica per gli atomi di rubidio che li intrappola simultaneamente in due diversi stati quantici, che hanno i numeri quantici principali n = 5 e n = 18 (Phys. Rev. A 91 032518). In altre parole, possono essere eccitati a uno stato di Rydberg di 18s, dove l’elettrone eccitato si trova nell’orbitale 18s, pur rimanendo nella trappola. Questa lunghezza d’onda magica corrisponde a una lunghezza d’onda infrarossa di circa 1064 nm., Con un semplice colpo di fortuna, questa è la lunghezza d’onda prodotta da un laser Nd:YAG, che la maggior parte dei fisici usa comunque perché fornisce una delle potenze laser più economiche disponibili. Questo è particolarmente importante quando si vuole un sacco di potere senza mandare in bancarotta il vostro dipartimento di fisica.
“In realtà, siamo stati subdoli e abbiamo scelto un colore di luce che intrappola sia lo stato di Rydberg che ci interessa sia lo stato fondamentale”, afferma la fisica Elizabeth Goldschmidt, che era uno dei membri del team di Porto e ora ha sede presso il Laboratorio di ricerca dell’Esercito americano nel Maryland.,
Anche se la squadra di Porto eccitato il rubidio fino a 18s, è stato solo un inizio. Per arrivare a numeri quantici più alti, che si traducono in interazioni più forti su distanze maggiori tra gli atomi e prolungano la vita trascorsa nello stato eccitato, sono necessarie lunghezze d’onda magiche sempre più corte. I laser che emettono queste lunghezze d’onda più corte non sono così ampiamente disponibili come i laser a 1064 nm e, alle frequenze più alte, possono diventare proibitivi in termini di costi. Tuttavia, le lunghezze d’onda magiche sono un enorme progresso per i fisici come Saffman., “Intrappola i singoli atomi e li fa interagire in gates, quindi si preoccupa di più di trovare le loro lunghezze d’onda magiche”, afferma Goldschmidt.
Finora tutto bene, ma le lunghezze d’onda magiche e l’eccitazione di Rydberg non sono sufficienti da sole per creare un computer quantistico. Ciò che manca è l’aspetto quantistico che consente a un qubit di esistere in molti stati contemporaneamente, al contrario dei bit binari che possono essere solo in uno dei due stati. Nella fisica di Rydberg, questo aspetto quantistico è fornito attraverso l’entanglement.,
“L’entanglement è il bit che ti dà qualcosa di più di quanto tu possa fare con un computer classico”, spiega Charles Adams, fisico del Joint Quantum Centre della Durham University nel Regno Unito. L’entanglement è prodotto dall’interazione degli atomi di Rydberg con altri atomi non eccitati intorno a loro. In sostanza, il CNOT gate di Saffman è una macchina di entanglement e l’efficienza del gate dipende dalla “fedeltà” dell’entanglement, che è definita come la quantità di calcoli riusciti che il gate logico entangled raggiunge rispetto al numero totale di tentativi.,
Esecuzione del blocco
Quando gli atomi sono i qubit, il ruolo del fotone è semplicemente quello di eccitare gli atomi nei loro stati di Rydberg. Tuttavia, Adams, tra gli altri, ha inseguito un premio leggermente diverso: un computer quantistico fatto di luce.
In un tale dispositivo, piuttosto che gli atomi che sono i qubit, i fotoni agirebbero invece come i qubit. Immediatamente c’è un potenziale showstopper. I fotoni, essendo particelle senza massa, non interagiscono tra loro e quindi normalmente non possono creare porte logiche., Esporli agli atomi di Rydberg, tuttavia, e il gioco cambia, permettendo ai fisici di creare stati fotonici esotici e persino “molecole” di luce.
È tutto possibile grazie alla natura cliquey degli atomi di Rydberg. Raccogli un gruppo stretto di atomi di rubidio (o stronzio, cesio, sodio o qualunque sia il tuo atomo neutro preferito), raffreddali e invia un fotone. Uno degli atomi è eccitato allo stato di Rydberg e interagisce con gli altri atomi intorno ad esso, spostando i loro livelli di energia., Così, quando un secondo, identico, fotone viene inviato in questo “Rydberg ensemble”, scopre che è improvvisamente fuori sintonia con la loro frequenza di risonanza e non può eccitarli. In sostanza, gli atomi di Rydberg mettono un “blocco” sulla creazione di altri atomi di Rydberg da un secondo fotone all’interno di un volume forse 10 µm di diametro.
Per il secondo fotone, tuttavia, questa è una buona notizia., ” Significa che il secondo fotone vede una diversa risposta ottica al mezzo – effettivamente può vedere un diverso indice di rifrazione – quindi il comportamento del mezzo al secondo fotone è molto diverso dal primo”, afferma Adams. Finché i due fotoni sono della stessa frequenza, la nube di rubidio diventa trasparente al secondo fotone, un effetto chiamato “trasparenza elettromagneticamente indotta”., Normalmente il secondo fotone correrebbe avanti, ma l’indice di rifrazione della nube di rubidio è alterato in modo tale che il secondo fotone rimanga vicino all’insieme di Rydberg eccitato dal primo fotone.
Poiché gli atomi eccitati dal primo fotone ritornano allo stato fondamentale dopo alcuni microsecondi, non solo il primo fotone può continuare sulla sua strada, ma anche il secondo fotone è libero di formare il proprio insieme Rydberg, mettendo un blocco sul primo fotone., In questo modo, i due fotoni si spingono e tirano l’un l’altro attraverso la nube di rubidio a circa 400 m/s, finché non emergono insieme, impigliati quantici e apparentemente legati come una molecola.
In questa situazione, i fotoni e gli atomi di Rydberg diventano fortemente accoppiati, afferma Mikhail Lukin dell’Università di Harvard, negli Stati Uniti., Ha co-creato la tecnica del blocco in atomi freddi in 2001 insieme ai suoi colleghi Robin Cote, Michael Fleischhauer, Ignacio Cirac e Peter Zoller, ed è stato anche il primo a utilizzare blocchi per creare queste molecole di luce potenziate da Rydberg in 2012 insieme a Vladan Vuletić del Massachusetts Institute of Technology, Stati Uniti.
“L’accoppiamento significa che essenzialmente formano una nuova quasi-particella chiamata polaritone, che è parte luce e parte atomi”, spiega Lukin., La metà atomica del polaritone funge da freno per i fotoni, quindi maggiore è l’eccitazione atomica, più lenta è la velocità di propagazione dei fotoni attraverso il rubidio. Lukin e Vuletić stanno ora lavorando per ripetere l’esperimento con più di due fotoni.
Queste interazioni fotone–fotone sono fondamentalmente diverse dal modo in cui la luce agisce normalmente e aprono la porta per l’utilizzo di fotoni impigliati come circuiti dei computer quantistici. Ma porte logiche atomiche non sono fuori dal quadro appena ancora, dice Goldschmidt., Pensa che le porte logiche ottiche dei fotoni interagenti sarebbero meglio applicate alle simulazioni quantistiche piuttosto che al calcolo quantistico di per sé.
Un simulatore quantistico, come suggerisce il nome, simula sistemi complessi piuttosto che calcolarli. In sostanza, è una versione quantistica di una simulazione computerizzata di molti corpi e sarebbe progettata per affrontare problemi specifici., ” In una simulazione quantistica hai interazioni tra i molti corpi del tuo sistema quantistico e puoi quindi simulare un altro sistema quantistico a molti corpi senza cercare di implementare codice con porte specifiche”, afferma Goldschmidt.
Dispositivi desktop
I ricercatori che lavorano sulla fisica di Rydberg hanno un obiettivo principale, indipendentemente dal fatto che gli atomi di Rydberg stessi saranno i circuiti dei sistemi di informazione quantistica, o se i fotoni facilitati dagli atomi di Rydberg assumano quel ruolo., Il loro obiettivo è quello di spingere per una manipolazione più alta fedeltà di queste porte logiche per aumentare la qualità del loro output e fornire correzioni di errore interne. Il modo migliore per andare avanti, immagina Lukin, è un sistema ibrido, in cui gli atomi di Rydberg e le interazioni fotoniche sono entrambi coinvolti nell’elaborazione delle informazioni.
“La cosa interessante del nostro approccio è che ci consente di utilizzare il meglio di entrambi i mondi”, afferma. “Per il calcolo, potresti voler memorizzare i qubit usando gli atomi, ma per comunicare tra i qubit memorizzati, in realtà vorresti usare i fotoni.,”
Adams va ancora oltre, speculando su come i computer quantistici e i simulatori potrebbero un giorno diventare macchine desktop, non raffreddando i loro atomi a temperature incredibilmente fredde, il che comporta grandi apparati e molta potenza, ma operando a temperatura ambiente. Adams e i suoi colleghi di Durham hanno condotto esperimenti con atomi di Rydberg in vapori “caldi” fino a 50 °C, ma il problema è il moto browniano che ne deriva negli atomi caldi ed energetici., Poiché i fotoni sono memorizzati all’interno del mezzo come un’onda, questo movimento distrugge le informazioni di fase, il che significa che il qubit fotonico non può essere recuperato. Tuttavia, se questa e altre sfide possono essere superate, Adams suggerisce che potrebbe essere possibile costruire un computer quantistico in cui i fotoni immagazzinati in bolle virtuali imposte dal processo di blocco di Rydberg mediano un’interazione che forma un cancello ottico. “Ma siamo ancora un po’ lontani dal sapere come fare questo tipo di circuito integrato interamente ottico”, dice.
Rydberg fisica non è l’unico gioco in città quando si tratta di computer quantistici., Ioni intrappolati, superconduttori, diamanti e condensati di Bose-Einstein tra gli altri sono concorrenti per la corona quantistica. Ma gli atomi di Rydberg hanno anche altri usi. Ad esempio, scegliendo un Rydberg ensemble ad una specifica frequenza di risonanza – ad esempio terahertz, o microonde – potrebbe agire come un sensore sofisticato, producendo un’uscita ottica quando raccoglie quei campi., Le interazioni fotone-fotone forzate dai blocchi di Rydberg potrebbero persino portare a stati esotici di luce considerati cristallini o liquidi, in cui le interazioni tengono insieme i fotoni in qualcosa che potrebbe sembrare una spada laser.
“La fisica di Rydberg è cresciuta di slancio nell’ultimo decennio”, afferma Adams. “Ci sono gruppi quasi ovunque ora facendo qualche aspetto di questo.”È notevole ciò che la fisica di Rydberg potrebbe realizzare, considerando che gli ingredienti sono alcune delle cose più semplici dell’universo: atomi e fotoni.,
- Journal of Physics B, da IOP Publishing – che pubblica anche Physics World – sta attualmente rilasciando un problema focus su “Rydberg atomic Physics”
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