Il condensato di Bose-Einstein al servizio della comunicazione quantistica

GEORGIA – Se paragonata alle capacità dei calcolatori ordinari, l’informatica quantistica promette gradi cose. Tuttavia, prima che queste macchine di ultima generazione possano essere disponibili, è necessario perfezionare le tecniche di trasmissione delle informazioni tra qubit e risolvere il problema della perdita di ordine del sistema, noto come decoerenza – che “peggiora” in modo proporzionale all’aumento dei bit disponibili. La ricerca condotta dal Georgia Insitute of Technology, in collaborazione con l’U.S. Department of Energy (DOE) e la National Science Foundation (NSF), si propone di superare questa seconda empasse.

Cos’è la decoerenza? Dobbiamo tenere presente che tutte le proprietà della fisica quantistica – l’effetto tunnel, l’entanglement, il principio di indeterminazione, etc. – funzionano solo nella scala dei quanti (in dimensioni inferiori a quella atomica). Cosa accade quando gli atomi si aggregano in molecole? E con la materia di dimensioni macroscopiche con cui interagiamo tutti i giorni? Accade che le proprietà quantistiche “magicamente” vengono meno: ecco che sopraggiunge la decoerenza. Se non si risolve il problema, i computer quantistici resteranno un lontano miraggio. Per quale motivo?

Le macchine che usiamo hanno dei limiti nello stoccaggio delle informazioni e nella velocità di computazione: costruire microchip sempre più piccoli significa andare incontro alle proprietà della fisica quantistica, con lo svantaggio della perdita di controllo sul loro funzionamento. La sfida è costruire microchip in grado di sfruttare le proprietà quantistiche, piuttosto che esserne limitati. Che tecniche adottare per riuscirci?

Un metodo abbastanza noto consiste nello sfruttamento della possibilità di rallentare  i quanti elettromagnetici degli atomi (le emissioni di fotoni di ciascuno). Questo metodo si chiama “Cavity QED” (elettrodinamica quantistica delle cavità). Oggi, i ricercatori hanno proposto un metodo alternativo che sfrutta il condensato di Bose-Einstein (BEC).

Il condensato di Bose-Einstein (BEC). A temperature normali gli atomi si dispongono su livelli differenti; ciò non accade se li raffreddiamo fino allo zero assoluto. A temperature molto basse, infatti, la maggior parte degli atomi si dispone nel livello energetico più basso (che è lo stato quantistico di minore energia). Questo stato inusuale della materia è conosciuto come condensato di Bose-Einstein (BEC). Benché oggi sappiamo che il BEC si forma anche a temperature maggiori dello zero assoluto, la maggior parte degli studi sperimentali si affida a questo paradigma.

Come usare il BEC per la comunicazione quantistica? Gli scienziati hanno proposto di affidare la computazione a piccoli computer quantistici che comunicano l’informazione usando il BEC, una nuvola di atomi gelidi che si trovano nello stesso stato quantico. Un approccio simile potrebbe risolvere il problema decoerenza riducendo il numero di bit necessario per un singolo computer. Il team del Georgia Institute of Technology ha esaminato come funziona questo tipo di comunicazione: determinando la quantità di tempo necessario che occorre all’informazione per propagarsi lungo la BEC, è stato possibile stabilire la velocità massima a cui tali computer quantistici potrebbero comunicare.

“Quello che abbiamo fatto in questo studio è stato dare un’occhiata a come questo tipo di informazione quantistica potrebbe propagare”, ha detto Chandra Raman, professore associato di Fisica al Georgia Institute of Technology. “Siamo interessati alla dinamica di questo flusso di informazione quantistica non solo per i sistemi quantistici, ma anche più in generale per i problemi della fisica fondamentale”.

Vediamo l’esperimento. Prima di tutto è stato assemblato un BEC usando ben tre milioni di atomi di sodio raffreddati quasi allo zero assoluto. Per iniziare l’esperimento, hanno acceso un campo magnetico applicato al BEC che ha immediatamente collocato il sistema fuori equilibrio. Le collisioni tra atomi hanno favorito il cambio di livello energetico e la formazione di coppie entangled che concorrono a dare un nuovo equilibrio al BEC.

In un primo momento, l’entanglement quantistico è concentrato nello spazio; nel tempo si è diffuso verso l’esterno come una goccia di colorante si diffonde nell’acqua. “Si può immaginare di avere una goccia di colorante che si concentra in un punto nello spazio”, ha spiegato Chandra Raman. “Le molecole di colorante si spostano nell’acqua e si diffondono lentamente in tutto il sistema”. La propagazione dell’informazione avviene su una scala temporale di 10/100 millisecondi. Questa è la velocità con cui l’informazione quantistica fluisce naturalmente attraverso questo tipo di sistema: se si assume come parametro di riferimento questa velocità naturale, è possibile stilare un calendario o agenda attività ad esso connesse.

La ricerca potrebbe avere numerose applicazioni: in fisica quantistica può farci capire la velocità di funzionamento di un sistema di calcolo come quello ora descritto, che prevede molte anime che comunicano attraverso un BEC. Può aiutare a capire come incorporare le informazioni nei quanti che compongono il BEC e, infine, nei termini della fisica teorica può aumentare la nostra comprensione delle caratteristiche dei sistemi che subiscono   transizioni di fase (anche a livello macroscopico).