Riassunto:
Il gruppo di ricerca del Sesto Istituto di Fisica dell'Università di Stoccarda in Germania ha annunciato di aver stabilito tre record mondiali contemporaneamente su uno speciale sistema quantistico chiamato "atomo circolare di Rydberg", che comprende la vita atomica, le dimensioni atomiche e il tempo di ritenzione in una trappola laser. I ricercatori ritengono che questa svolta dovrebbe promuovere lo sviluppo di simulatori quantistici ad alte prestazioni e gettare le basi per la costruzione di computer quantistici più potenti in futuro.
I simulatori quantistici possono riprodurre il comportamento di sistemi quantistici complessi in un ambiente controllato e rappresentano una piattaforma importante per esplorare nuovi fenomeni quantistici e verificare la tecnologia del calcolo quantistico. Gli atomi di Rydberg sono da tempo considerati promettenti unità candidate nei campi della simulazione quantistica e dell’informatica quantistica. Tuttavia, sono estremamente sensibili all’ambiente circostante e spesso riescono a rimanere stabili solo per un periodo molto breve. Questo è diventato anche uno dei principali ostacoli che limitano lo sviluppo delle tecnologie correlate.
Tilman Pfau, capo del gruppo di ricerca, ha affermato che il miglioramento della stabilità degli atomi di Rydberg è sempre stata una sfida fondamentale nello sviluppo di simulatori quantistici ad alte prestazioni. Il team è riuscito ad aumentare il tempo di stabilità atomica fino a 20 volte rispetto al livello precedente, creando condizioni più favorevoli per le successive applicazioni della tecnologia quantistica.
Il cosiddetto atomo Rydberg si riferisce a una struttura atomica in cui gli elettroni vengono eccitati in orbite ad alta energia lontano dal nucleo. Poiché la distanza tra gli elettroni e il nucleo è notevolmente aumentata, la dimensione di tali atomi può raggiungere migliaia di volte quella degli atomi ordinari. Le dimensioni maggiori consentono interazioni quantistiche con gli atomi vicini su distanze maggiori, una proprietà importante per la costruzione e il controllo dei sistemi quantistici.
I ricercatori hanno affermato che la distanza di interazione tra gli atomi di Rydberg può raggiungere circa 5 micron, ovvero circa un decimo dello spessore di un capello umano. Sebbene sia ancora estremamente piccolo su scala quotidiana, è già abbastanza lontano nel mondo atomico. Questo è uno dei motivi per cui la tecnologia quantistica dell’atomo neutro favorisce gli atomi di Rydberg. Questo tipo di tecnologia consente l’elaborazione delle informazioni quantistiche intrappolando e manipolando atomi privi di carica con raggi laser.
L'oggetto della ricerca del team questa volta sono gli atomi circolari di Rydberg. In questo stato gli elettroni eccitati si muovono lungo un’orbita quasi circolare attorno al nucleo. Nell'esperimento, i ricercatori sono riusciti a costruire un'orbita elettronica con un diametro di circa 1,1 micron, che è circa 10.000 volte più grande dell'orbita elettronica degli atomi ordinari.
Per raggiungere questo obiettivo, il team ha sviluppato una speciale piattaforma sperimentale per creare atomi giganti estremamente stabili a temperatura ambiente sopprimendo le interferenze delle radiazioni del corpo nero nell'ambiente. In passato, esperimenti simili spesso richiedevano ambienti a temperatura ultrabassa costosi e complessi, ma questo risultato è stato ottenuto in condizioni più miti, migliorando ulteriormente la praticità della tecnologia.
Durante l'esperimento, i ricercatori hanno stabilito con successo tre record internazionali. In primo luogo, hanno misurato la vita più lunga mai registrata per un singolo atomo Rydberg rotondo. Controllando gli elettroni eccitati in modo che si muovano lungo un'orbita circolare stabile, gli atomi rimangono in uno stato stabile per 11 millisecondi, che è più di 20 volte superiore rispetto al precedente stato simile nello spazio libero.
In secondo luogo, il gruppo di ricerca ha creato il più grande atomo Rydberg circolare controllabile fino ad oggi, con un'orbita elettronica che raggiunge circa 1,1 micron, stabilendo un nuovo record in campi correlati.
Il terzo record risale al momento della cattura atomica nelle pinzette ottiche laser. I ricercatori hanno utilizzato raggi laser per mantenere con successo questi atomi giganti nella trappola per 133 millisecondi, stabilendo anche un nuovo record mondiale.
I ricercatori hanno sottolineato che gli atomi di Rydberg rotondi non solo hanno una durata di vita più lunga, ma sono anche più stabili alle perturbazioni esterne, pur conservando l'importante vantaggio dell'interazione forte degli atomi di Rydberg. Queste caratteristiche lo rendono un candidato ideale per i futuri simulatori quantistici e piattaforme di calcolo quantistico.
Con il continuo progresso della ricerca sull'informatica quantistica, l'industria ritiene generalmente che i futuri dispositivi quantistici pratici debbano avere elevata stabilità, bassi tassi di errore e forte scalabilità. I risultati ottenuti dall’Università di Stoccarda dimostrano per la prima volta che gli atomi circolari di Rydberg possono raggiungere un controllo stabile a lungo termine a temperatura ambiente, il che dovrebbe ridurre significativamente il problema dell’accumulo di errori nelle operazioni quantistiche.
Il gruppo di ricerca ha affermato che il prossimo passo sarà provare a costruire un sistema quantistico programmabile composto da più atomi Rydberg circolari per esplorare ulteriormente il suo potenziale di applicazione pratica nella simulazione quantistica e nell'informatica quantistica. Man mano che la tecnologia di controllo di questi “atomi giganti” continua a maturare, i computer quantistici potrebbero essere un passo avanti verso prestazioni più elevate e operazioni su larga scala.
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