I gatti di Schrödinger impiegati per trovare errori di calcolo morti e vivi
Questo verificatore di fatti informatici potrebbe non avere nove vite, ma ne ha otto che può sperimentare simultaneamente.
Una particella in spin up può essere vista come rappresentante un gatto vivo, mentre lo spin down significa che il gatto è morto, e in sovrapposizione, entrambi possono essere veri. Caratteristiche del famoso esperimento mentale del gatto di Schrödinger sono state applicate nel mondo reale utilizzando un singolo atomo di antimonio incorporato in un chip di silicio. Per quanto sorprendente possa sembrare, l’atomo ha una vita quantistica più complessa di quanto riesca persino il gatto teorico. Se possa eguagliare la variazione infinita dei gatti reali rimane non misurato.
Il fisico Erwin Schrödinger propose l’esperimento mentale per cui è ora più conosciuto nel tentativo di mostrare perché considerava la meccanica quantistica ridicola, nonostante avesse contribuito notevolmente alla sua invenzione. Se la meccanica quantistica fosse corretta, sosteneva, sarebbe possibile creare una situazione in cui un gatto fosse simultaneamente vivo e morto fino a quando non aprissimo una scatola in cui era stato posto. Se questo possa applicarsi ai gatti reali è ancora dibattuto, ma su scala subatomica, la sovrapposizione – dove un oggetto può esistere in due stati contemporaneamente – è un fatto accettato.
Il potenziale dei computer quantistici risiede nello sfruttare questa capacità, permettendo a una sovrapposizione di uno e zero di sostituire un bit di computer tradizionale che può essere solo uno o zero. Enormi risorse sono state investite nella costruzione di computer quantistici, ma numerosi ostacoli hanno causato un progresso molto più lento di quanto spesso promesso. Un grande impedimento è la frequenza con cui i computer quantistici producono errori perché qualche processo casuale inverte lo stato di un componente, noto come qubit. Gli spin delle particelle sono qubit popolari per memorizzare informazioni, con lo spin up che rappresenta uno stato e lo spin down l’altro. Tuttavia, il rumore che causa un’inversione di spin può disturbare i dati e qualsiasi cosa venga fatta con essi.
Per affrontare questo problema, un team guidato dal Professor Andrea Morello dell’Università del New South Wales si è rivolto agli atomi di antimonio, che permettono la creazione di quelli che sono noti come sistemi quantistici ad alta dimensione. “L’antimonio è un atomo pesante, che possiede un grande spin nucleare, significando un grande dipolo magnetico. Lo spin dell’antimonio può prendere otto direzioni diverse, invece di solo due,” ha detto l’autore principale Xi Yu in una dichiarazione. “Questo può non sembrare molto, ma in realtà cambia completamente il comportamento del sistema. Una sovrapposizione dello spin dell’antimonio che punta in direzioni opposte non è solo una sovrapposizione di ‘su’ e ‘giù’, perché ci sono molteplici stati quantistici che separano i due rami della sovrapposizione.”
Una sovrapposizione di otto stati diversi suona come il tipo di caos che solo un gattino lasciato libero su infiniti gomitoli di filo potrebbe creare, ma il team pensa che sarà invece più robusto. In particolare, sperano che permetterà l’identificazione degli errori che si insinuano e la prevenzione di nuovi. “Un singolo errore, o anche pochi errori, non scompigliano immediatamente l’informazione,” ha detto Morello. Estendendo la metafora del gatto a un grado notevole, ha continuato; “È come se vedessimo il nostro gatto tornare a casa con un grande graffio sul viso. È lontano dall’essere morto, ma sappiamo che ha avuto una lotta; possiamo andare a trovare chi ha causato la lotta, prima che accada di nuovo e il nostro gatto subisca ulteriori ferite.”
Computer quantistici che rilevano errori hanno catturato l’immaginazione dei fisici tanto quanto quel sacco di cibo su uno scaffale irraggiungibile ha fatto con un gatto affamato. La maggior parte degli approcci sono stati costruiti attorno all’intreccio di diverse particelle, ma gli autori pensano che la maggiore dimensionalità offerta dall’antimonio rappresenti un approccio migliore. L’equivalente quantistico di trovare il bullo del quartiere felino e spaventarlo è ancora solo una speranza, ma il team sta facendo di questo il loro prossimo obiettivo. Dicono che fino a tre errori di inversione possono essere corretti in un qubit di antimonio, a differenza delle dimensioni inferiori. Due articoli che annunciano risultati simili con stati di qubit a dimensioni superiori basati su materiali diversi sono stati sottoposti a revisione mentre il team stava lavorando al loro articolo. Tuttavia, gli autori pensano che il loro design abbia vantaggi nel formare la base di sistemi molto più grandi che altri modelli non hanno.
“Ospitare il ‘gatto’ nel silicio significa che, a lungo termine, questa tecnologia può essere scalata utilizzando metodi simili a quelli che già adottiamo per costruire i chip dei computer che abbiamo oggi,” ha detto la Dottoressa Danielle Holmes. D’altra parte, affermazioni che i computer quantistici siano dietro l’angolo sono state fatte per almeno 25 anni, e la loro presenza è sfuggente quanto l’altro felino frequentemente associato al comportamento quantistico, il Gatto del Cheshire di Lewis Carroll.
Lo studio è pubblicato su Nature Physics.