Quantistica

I ricercatori del MIT di Boston hanno registrato la “coerenza temporale” di un qubit grafene - per quanto tempo mantiene uno stato speciale che gli consente di rappresentare contemporaneamente due stati logici - segnando un passo in avanti critico per il calcolo quantistico pratico. La prima misurazione del suo genere potrebbe fornire un trampolino di lancio per il calcolo quantistico pratico.

I ricercatori del MIT di Boston e di altri paesi hanno registrato, per la prima volta, la “coerenza temporale” di un qubit grafene, ovvero per quanto tempo può mantenere uno stato speciale che gli consente di rappresentare contemporaneamente due stati logici. Secondo gli scienziati la dimostrazione, che ha utilizzato un nuovo tipo di qubit basato su grafene, rappresenta un passo avanti fondamentale per il calcolo quantistico pratico.

I bit quantistici superconduttori (semplicemente i qubit) sono atomi artificiali che usano vari metodi per produrre bit di informazione quantistica, la componente fondamentale dei computer quantistici. Analogamente ai circuiti binari tradizionali nei computer, i qubit possono mantenere uno dei due stati corrispondenti ai classici bit binari, uno 0 o 1. Ma questi qubit possono anche essere una sovrapposizione di entrambi gli stati contemporaneamente, che potrebbe consentire ai computer quantistici di risolvere problemi complessi che sono praticamente impossibili per i computer tradizionali. La quantità di tempo in cui questi qubit rimangono in questo stato di sovrapposizione viene definito come il loro “tempo di coerenza”. Più lungo è il tempo di coerenza, maggiore è la capacità del qubit di calcolare problemi complessi.

Recentemente, i ricercatori hanno incorporato materiali basati su grafene in dispositivi di calcolo quantistico. Superconduttori che promettono un calcolo più veloce e più efficiente, tra gli altri vantaggi. Fino ad ora, tuttavia, non c'era alcuna coerenza registrata per questi qubit avanzati, quindi non si sa se sono fattibili per il calcolo quantistico pratico.

I professori Ku e Steel stanno applicando le loro competenze per intraprendere i prossimi passi chiave verso l'informatica quantistica pratica

I ricercatori in ingegneria elettrica e informatica stanno applicando la loro esperienza e creatività per migliorare la nostra capacità di utilizzare la tecnologia quantistica al fine di migliorare le comunicazioni, le potenzialità di calcolo, di elaborazione delle informazioni e della misurazione di precisione.

I professori Pei-Cheng Ku(1) e Duncan Steel(2) sono i due principali ricercatori dell'Università del Michigan coinvolti nel progetto, "Two-Photon Quantum Photonic Logic Gates Enabled by Photonic Bound States",(3) sostenuti dalla National Science Foundation e con sede presso la Washington University di St. Louis.

I ricercatori mirano a creare un nuovo approccio per ottenere un gate a fase controllata per due qubit fotonici che possono essere implementati su una piattaforma a semiconduttore. Il loro successo finale comporterà un significativo passo avanti nella realizzazione del pieno potenziale del calcolo quantico.

Le operazioni con un singolo qubit sono state raggiunte, ma non sono sufficienti per sfruttare il potenziale potere computazionale dell'elaborazione dell'informazione quantistica. Mentre le porte logiche fotoniche a due qubit sono state dimostrate teoricamente, la loro implementazione non è pratica né finanziariamente né tecnicamente.

Cercare di capire a fondo le basi quantistiche dei sistemi biologici ed analizzarla dal punto di vista fisico-matematico sono una delle attuali sfide della scienza.

Nel passato i sistemi biologici sono stati spesso visti come troppo complessi per essere penetrabili con metodi di natura fisico-matematica. La realtà “essere vivente” era considerata troppo articolata per poter essere analizzata da insiemi di equazioni differenziali e principi fisici.

All’inizio del XX secolo, con l’avvento di tecniche e strumenti più potenti e sofisticati, i ricercatori hanno iniziato a studiare in maniera più profonda ed articolata le possibili descrizioni fisiche e matematiche dei sistemi biologici microscopici. Tra i possibili vari esempi ricordiamo i modelli di Turing, che si avvalgono della potenza della computazione quantistica, la morfogenesi, ossia il processo che porta allo sviluppo della forma e della struttura di un organismo, i lavori di Schrödinger, da cui vennero previste molte delle caratteristiche funzionali del DNA.

Attualmente i progressi in questo campo sono rapidi e molti rami della fisica e della matematica hanno trovato applicazioni in biologia, come ad esempio i metodi statistici utilizzati in bioinformatica. A queste scale di lunghezza la fisica classica cede il passo a quella quantistica, che non può essere evitata, poiché ogni processo chimico si basa di fatto sulla fisica quantistica.

Allora esistono sistemi biologici che utilizzano la fisica quantistica per eseguire compiti che non possono essere realizzati da un punto di vista classico? E grazie alla fisica quantistica possono essere realizzati in maniera più efficiente di quanto possa avvenire anche con il migliore equivalente classico? La risposta sembra ad oggi essere affermativa. Negli ultimi dieci anni una serie di esperimenti ha riscontrato diversi casi in cui la Natura si avvale della fisica quantistica per ottenere vantaggi biologici, sfruttando in particolare “sovrapposizioni coerenti di stati” per assistere o migliorare una funzione biologica.