Nuovo calcolo quantico controllato otticamente


Nuovo calcolo quantico controllato otticamente

Gli scienziati dell'Ames Laboratory, del Brookhaven National Laboratory e dell'Università dell'Alabama di Birmingham hanno scoperto un meccanismo di calcolo per la commutazione indotto dalla luce in un semimetallo di Dirac.

Il meccanismo, descritto su Physical Review X, (1) stabilisce un nuovo modo di controllare il materiale topologico, guidato dal movimento avanti e indietro di atomi ed elettroni, che consentirà il transistor topologico e il calcolo quantistico utilizzando onde luminose.

Proprio come i transistor e i fotodiodi odierni hanno sostituito i tubi a vuoto più di mezzo secolo fa, gli scienziati stanno cercando un simile passo avanti nei principi di progettazione e nei nuovi materiali per ottenere capacità di calcolo quantistico. L'attuale capacità di calcolo deve affrontare sfide enormi in termini di complessità, consumo energetico e velocità; per superare i limiti fisici raggiunti quando l'elettronica ei chip diventano più caldi e veloci, sono necessari progressi maggiori. Soprattutto su piccola scala, tali problemi sono diventati i principali ostacoli al miglioramento delle prestazioni.

Il dottor Jigang Wang, (2) uno scienziato senior presso l'Ames Laboratory e professore di fisica presso la Iowa State University, spiega che «L'ingegneria topologica delle onde luminose cerca di superare tutte queste sfide guidando il movimento periodico quantistico per guidare gli elettroni e gli atomi attraverso nuovi gradi di libertà, cioè la topologia, e indurre transizioni senza riscaldamento a frequenze terahertz senza precedenti, definite come un trilione di cicli al secondo. Questo nuovo principio di controllo coerente è in netto contrasto con qualsiasi metodo di regolazione dell'equilibrio utilizzato finora, come i campi elettrici, magnetici e di deformazione, che hanno velocità molto più basse e maggiori perdite di energia».

L'adozione su vasta scala di nuovi principi computazionali, come il calcolo quantistico, richiede la costruzione di dispositivi in cui gli stati quantistici fragili siano protetti dai loro ambienti rumorosi. Un approccio consiste nello sviluppo del calcolo quantistico topologico, in cui i qubit sono basati su quasiparticelle “protette dalla simmetria” che sono immuni al rumore.

Tuttavia, gli scienziati che studiano questi materiali topologici affrontano una sfida: come stabilire e mantenere il controllo di questi comportamenti quantistici unici in un modo che renda possibili applicazioni come il calcolo quantistico. In questo esperimento, Wang e i suoi colleghi hanno dimostrato quel controllo usando la luce per guidare gli stati quantistici in un semimetallo di Dirac, un materiale esotico che mostra un'estrema sensibilità grazie alla sua vicinanza a un'ampia gamma di fasi topologiche.

Il dottor Ilias E. Perakis, (3) professore di fisica e presidente dell'Università dell'Alabama a Birmingham, dice: «Abbiamo ottenuto questo risultato applicando un nuovo principio di controllo quantistico della luce noto come oscillazioni coerenti del fonone Raman selettivo della modalità - guidando i movimenti periodici degli atomi intorno alla posizione di equilibrio utilizzando brevi impulsi di luce. Queste fluttuazioni quantistiche guidate inducono transizioni tra stati elettronici con divari e ordini topologici diversi».

Un'analogia di questo tipo di commutazione dinamica è il pendolo di Kapitza (4) guidato periodicamente, che può passare a una posizione invertita ma stabile quando viene applicata la vibrazione ad alta frequenza. Il lavoro del ricercatore mostra che questo principio di controllo classico - guidare i materiali a una nuova condizione stabile non trovata normalmente - è sorprendentemente applicabile a un'ampia gamma di fasi topologiche e transizioni di fase quantistiche.

Il dottor Qiang Li, leader del gruppo Advanced Energy Materials Group del Brookhaven National Laboratory, asserisce: «Il nostro lavoro apre una nuova arena per l'elettronica topologica delle onde luminose e le transizioni di fase controllate dalla coerenza quantistica. Ciò sarà utile nello sviluppo di future strategie di calcolo quantistico e di elettronica ad alta velocità e basso consumo energetico».

La spettroscopia e l'analisi dei dati sono state eseguite presso il laboratorio Ames. La costruzione del modello e l'analisi sono state parzialmente eseguite presso l'Università dell'Alabama, Birmingham. Lo sviluppo del campione e le misurazioni del trasporto magneto sono stati eseguiti presso il Brookhaven National Laboratory. I calcoli funzionali di densità sono stati supportati dal Center for the Advancement of Topological Semimetals, un DOE Energy Frontier Research Center presso Ames Laboratory.

L'Ames Laboratory (5) è un U.S. Department of Energy (6) Office of Science (7) national laboratory gestito dalla Iowa State University. Ames Laboratory crea materiali, tecnologie e soluzioni energetiche innovative. «Usiamo la nostra esperienza, capacità uniche e collaborazioni interdisciplinari per risolvere problemi globali».

L'Office of Science del DOE è il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti e sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo.

Riferimenti:

(1) Light-Driven Raman Coherence as a Nonthermal Route to Ultrafast Topology Switching in a Dirac Semimetal

(2) Jigang Wang

(3) Ilias E. Perakis

(4) Kapitza's pendulum

(5) Ames Laboratory

(6) U.S. Department of Energy

(7) Office of Science

Descrizione foto: Gli scienziati che studiano i materiali topologici affrontano una sfida: come stabilire e mantenere il controllo di questi comportamenti quantistici unici in un modo che renda possibili applicazioni come il calcolo quantistico. In questo esperimento, lo scienziato del laboratorio Ames Jigang Wang ei suoi colleghi hanno dimostrato quel controllo usando la luce per guidare gli stati quantistici in un semimetallo di Dirac. - Credit: US Department of Energy, Ames Laboratory.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New discovery helps close the gap towards optically-controlled quantum computation

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