L’informatica quantistica avanza con gli spin core

RIVERSIDE, CALIFORNIA – L’informatica quantistica, utilizzando le leggi della meccanica quantistica, è in grado di risolvere problemi urgenti in un’ampia gamma di campi, dalla medicina all’apprendimento automatico, che sono troppo complessi per i computer classici. I simulatori quantistici sono dispositivi costituiti da moduli quantistici interagenti che possono essere programmati per simulare modelli complessi del mondo fisico. Gli scienziati possono quindi ottenere informazioni su questi modelli, e quindi sul mondo reale, modificando le interazioni in modo controllato e misurando il comportamento risultante con simulatori quantistici.

In Articolo di ricerca pubblicato sulla rivista Physical Review BUn gruppo di ricerca guidato dall’Università della California, Riverside, ha proposto una serie di oggetti magnetici quantistici, chiamati centri di spin, che possono, in presenza di un campo magnetico esterno, simulare quantistica una varietà di fasi magnetiche della materia così come le transizioni tra queste fasi.

“Stiamo progettando nuovi dispositivi che contengano centri di rotazione e possano essere utilizzati per simulare e apprendere fenomeni fisici interessanti che non possono essere studiati completamente utilizzando i computer classici”, ha affermato. Shan WencaiSig Fisica e astronomia“I centri di spin nei materiali a stato solido sono oggetti quantistici localizzati con un enorme potenziale non sfruttato per la progettazione di nuovi simulatori quantistici”.

secondo Troia LozziI progressi in questi dispositivi potrebbero rendere possibile studiare modi più efficienti per archiviare e trasmettere informazioni, sviluppando allo stesso tempo metodi necessari per creare computer quantistici a temperatura ambiente, afferma Cai, lo studente laureato e primo autore dell’articolo.

“Abbiamo diverse idee su come migliorare i simulatori quantistici basati sui centri di spin rispetto a questo dispositivo inizialmente proposto”, ha affermato correre, con “Continuare a poter simulare una fisica nuova e plausibile”.

Di seguito, Tsai e Lucy rispondono ad alcune domande sulla ricerca:

D: Cos’è un simulatore quantistico?

Tsai: È un dispositivo che sfrutta i comportamenti insoliti della meccanica quantistica per simulare una fisica interessante che sarebbe difficile da calcolare per un normale computer. A differenza dei computer quantistici che funzionano utilizzando qubit e operazioni di gate universale, i simulatori quantistici sono progettati individualmente per simulare/risolvere problemi specifici. Sacrificando la programmazione universale dei computer quantistici a favore dello sfruttamento della ricchezza di diverse interazioni quantistiche e disposizioni geometriche, potrebbe essere più semplice implementare simulatori quantistici e fornire nuove applicazioni per dispositivi quantistici, il che è importante perché i computer quantistici non sono ancora universalmente utili.

Il centro di spin è un oggetto magnetico quantistico delle dimensioni di un atomo che può essere alloggiato in un cristallo. Può immagazzinare informazioni quantistiche, comunicare con altri centri di spin ed essere controllato dai laser.

D: Quali sono alcune applicazioni di questo lavoro?

Lozi: Possiamo costruire il simulatore quantistico proposto per simulare le esotiche fasi magnetiche della materia e le transizioni di fase tra di loro. Queste transizioni di fase sono di grande importanza perché i comportamenti di sistemi molto diversi diventano identici in queste transizioni, il che implica l’esistenza di fenomeni fisici fondamentali che collegano questi diversi sistemi.

Le tecniche utilizzate per costruire questo dispositivo potrebbero essere utilizzate anche nei computer quantistici basati su spin center, che sono i principali candidati per lo sviluppo di computer quantistici a temperatura ambiente, mentre la maggior parte dei computer quantistici richiede temperature estremamente fredde per funzionare. Inoltre, il nostro dispositivo presuppone che i centri di rotazione siano posizionati in linea retta, ma è possibile posizionare i centri di rotazione in disposizioni tridimensionali. Ciò potrebbe consentire lo studio di dispositivi informativi basati sulla rotazione che sono più efficienti dei metodi attualmente utilizzati dai computer.

Poiché i simulatori quantistici sono più facili da costruire e gestire rispetto ai computer quantistici, attualmente possiamo utilizzarli per risolvere alcuni problemi che i computer normali non sono in grado di gestire, mentre aspettiamo che i computer quantistici diventino più accurati. Tuttavia, ciò non significa che i simulatori quantistici possano essere costruiti senza sfide, poiché ora ci stiamo avvicinando a diventare abbastanza bravi nel manipolare i centri di spin, formare cristalli puri e lavorare a basse temperature per costruire i simulatori quantistici che proponiamo.

L’Università della California, Riverside, è un’università di ricerca di dottorato e un laboratorio vivente per esplorare le questioni critiche nell’entroterra della California meridionale, nello stato e nelle comunità di tutto il mondo. Riflettendo la diversa cultura della California, l’UC Riverside conta più di 26.000 studenti iscritti. Il campus ha aperto una scuola di medicina nel 2013 e si collega al cuore della Coachella Valley tramite l’UCR Palm Desert Center. Il campus ha un impatto annuo di oltre 2,7 miliardi di dollari sull’economia degli Stati Uniti. Per saperne di più, visitare il sito www.ucr.edu.