È possibile racchiudere in un'unica particella quantistica un orologio ultrapreciso, un processore di calcolo e un simulatore di processi fisici? I fisici del laboratorio JILA di Boulder, in collaborazione con i colleghi dell'Università di Innsbruck, hanno dimostrato che l'impresa è fattibile. Hanno dato vita a un "multitool" quantistico basato su atomi di itterbio-171, capaci di mutare il proprio ruolo funzionale sotto il comando di un laser.
Finora, le tecnologie quantistiche si sono evolute lungo binari paralleli. Mentre alcuni scienziati sviluppavano qubit per il calcolo, altri si concentravano sulla modellazione di sistemi complessi o sulla creazione di orologi ottici. La difficoltà risiedeva nel fatto che compiti diversi richiedono proprietà fisiche differenti.
Il team guidato da Adam Kaufman ha individuato un'elegante soluzione al problema. Hanno sfruttato tre coppie di stati energetici dell'itterbio che condividono un unico stato di riferimento "ancora". Inviando all'atomo impulsi laser a frequenze specifiche, i ricercatori sono riusciti a trasferire istantaneamente la sovrapposizione quantistica da una modalità all'altra senza alcuna perdita di dati.
Lo stesso atomo opera ora in tre diverse configurazioni:
- Qubit nucleare: sfrutta lo spin del nucleo, pressoché immune alle interferenze esterne, per archiviare le informazioni in modo affidabile.
- Qubit di Rydberg: si genera attraverso una forte eccitazione dell'elettrone, permettendo agli atomi di interagire rapidamente tra loro per eseguire calcoli.
- Qubit ottico: utilizza i livelli energetici propri degli orologi atomici, un elemento essenziale per ottenere misurazioni di estrema precisione.
Durante gli esperimenti, gli scienziati hanno dimostrato un ciclo operativo completo. Hanno creato uno stato di entanglement tra ben 20 atomi ed eseguito operazioni a due qubit con una precisione del 99,78%. Qualora si fosse verificato un errore durante la commutazione, il sistema lo avrebbe rilevato tramite un controllo ottico, scartando le sessioni non riuscite.
In prospettiva, tale versatilità consente di abbattere i confini tra l'informatica quantistica e la metrologia di precisione. I progettisti non saranno più costretti a scegliere tra la stabilità del sistema e la sua velocità operativa. L'integrazione di queste tre modalità in un'unica piattaforma potrebbe accelerare sensibilmente l'avvento di computer quantistici pratici, in grado di affrontare sfide applicative reali senza la necessità di complessi cambi di strumentazione.
