Effetto quantistico 2

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Effetto quantistico 2

di: Alessio Mannucci ecplanet.net

Un qubit ed un “qutrit” – la versione 3D – per la prima volta sono stati correlati (entangled)
quantisticamente, un ulteriore passo in avanti verso il mondo fantastico del quantum computing…

I qutrits, realizzati mediante “bifotoni” (due fotoni correlati), sono stati “entangled” con qubits
fotonici (fatti di un solo fotone) mediante una combinazione di elementi e misurazioni
ottico-lineari (il team di ricercatori, composto da fisici della University of Queensland, della
University of Bristol e della University of Waterloo, ha pubblicato i risultati dell’esperimento su
Physical Review Letters).

Se il classico “trit” (ternary digit o cifra ternaria) può assumere i tre stati base 0, 1 e 2, il
suo equivalente quantistico, il qutrit, può esistere solo in “superposizioni” dei tre stati base,
quando cioè tutte e tre gli stati sono presenti contemporaneamente, così come un qubit può esistere
solo nelle superposizioni dei due stati base 0 e 1 del classico bit (binary digit o cifra binaria).
La superposizione si ha fisicamente quando le onde quantiche, che rappresentano uno stato, si
sovrappongono.

Il gruppo di ricerca inter-universitario ha mostrato come sia possibile generare l’entanglement
(quella “misteriosa azione a distanza” tra stati quantici separati che si influenzano a vicenda) tra
qubit e qutrit e manipolare il qutrit attraverso una misurazione “distruttiva” del qubit. Secondo i
postulati base della computazione quantistica, ogni misura compiuta su di un sistema quantistico
distrugge la maggior parte dell’informazione, lasciando il sistema in uno stato base. Così come la
misurazione di un qubit ne cambia inesorabilmente lo stato, riducendo la superposizione ad uno dei
due specifici stati, essere riusciti a misurare un qutrit ha avuto come effetto quantistico la
rimozione di un singolo stato del qutrit dalla sua superposizione a tre stati.

Benjamin Lanyon, della University of Queensland, dice che “questo è un esempio di NonLinearità
Indotta da Misurazione (Measurement-Induced NonLinearity o MINL)”, uno strumento molto potente per
manipolare qubits, nella prospettiva di realizzare un computer foto-quantistico, che trasforma
misurazioni effettuate con elementi lineari (come polarizzatori, separatori di fasci, lenti) in una
evoluzione non-lineare dell’interazione fotonica. “È sorprendente”, dice Lanyon, “perché di norma i
fotoni non interagiscono in sistemi lineari. Nel nostro lavoro, la MINL ha creato il tipo di
evoluzione non-lineare necessaria a generare l’entanglement e rimuovere un singolo stato logico
dalla superposizione del qutrit”.

Il gruppo crede che le MINLs potrebbero funzionare anche per manipolare non solo fotoni ma anche
tutti i tipi di paticelle bosoniche utilizzabili per trasportare informazione quantica.
L’entaglement qubit-qutrit avrà comunque applicazioni nell’ottimizzazione della sicurezza nei
sistemi info-quantistici e aumenterà le capacità di comunicazione quantistica. Essendo
tridimensionale, il qutrit può trasportare più informazione di un qubit (se una stringa di n bits
classici può rappresentare 1n stati, una stringa di n qubits ne può rappresentare 2n e una di n
qutrits 3n). I qutrits, inoltre, presentano una superposizione più solida rispetto ai qubits, e
dunque sono meno soggetti ai fenomeni di disturbo che solitamente interferiscono sull’entanglement.
In generale, l’informazione quantistica può essere trasferita con fedeltà assoluta, ma a patto che
l’originale venga distrutto nel processo, ed è quello che avviene nel teletrasporto quantistico,
ottenuto per la prima volta da Nielsen, Klinn e LaFlamme nel 1998.

(Fonte: Lanyon, B. P., Weinhold, T. J., Langford, N. K., O’Brien, J. L., Resch, K. J., Gilchrist,
A., and White, A. G. “Manipulating Biphotonic Qutrits.” Physical Review Letters 100, 060504, 2008).

Un ottaedro di DNA
(Credit: Michael E. Pique, TSRI)

IBM ha annunciato una tecnica di produzione di “nanocircuiti”basati su matrici organiche di nanotubi
al carbonio. Il lavoro si è ispirato alla ricerca sul “DNA origami” condotta al California Institute
of Technology da Paul Rothemund.

Greg Wallraff, uno dei ricercatori che lavora al progetto, ha spiegato che si tratta di
“nanostrutture di DNA che si auto-assemblano in forme geometriche predefinite”, un substrato
organico che si può utilizzare come base su cui realizzare circuiti veri e propri composti da
nanotubi, nanoconduttori al silicio e quantum dots. Una volta completata la costruzione del
circuito, il frammento organico può essere rimosso, lasciando intatta la parte inorganica di
carbonio e silicio, utilizzabile come super-memoria di nuova generazione oppure come una unità di
calcolo super-veloce. L’attuale ordine di grandezza di queste strutture è di 2 nanometri, mentre il
processo industriale più raffinato per la produzione di microprocessori è giunto alla soglia dei 45
nanometri.

Secondo Jennifer Cha, biologa IBM, l’assemblaggio dei nanotubi costituisce l’ostacolo principale
alla realizzazione di macrostrutture funzionali, ma la natura prevedibile delle catene di aminoacidi
che formano il DNA, e delle reazioni chimiche coinvolte nel processo, consente di realizzare una
“impalcatura” sulla quale iniziare lo sviluppo dei futuri elaboratori quantistici a nanotubi.

“Realizzare queste infrastrutture di DNA non è un procedimento scontato, poiché è necessario che il
materiale biologico riconosca e interagisca con qualcosa che non esiste neppure in natura”, dice la
Cha. Tuttavia, Big Blue confida in questa invenzione per dare una svolta al settore della
computazione quantistica, oltre la Legge di Moore. La stessa IBM, indica un tempo di almeno 15 anni
per la realizzazione di computer basati sul carbonio.

Altri ricercatori, sempre della IBM, all’Almaden Research Center di San Jose, sono riusciti a
misurare l’ammontare di energia necessaria per muovere un atomo. Grazie a questa informazione, sarà
possibile in futuro sviluppare più facilmente e più velocemente nanodispositivi per lo storaggio a
livello atomico e chips per computer. “L’IBM è alle prese con la manipolazione atomica da 20 anni”,
ha detto Andreas Heinrich, “da ora in poi lo faremo in modo più sistematico”.

Nel 1989, Dan Eigler, grazie ad uno Scanning Tunnel Microscopy (STM), un Microscopio a Scansione
Tunnel, modificato, fu tra i primi a dimostrare come si potevano manipolare singoli atomi con
precisione atomica. Quasi vent’anni dopo, Heinrich e Markus Ternes, insieme a scienziati della
University of Regensburg, hanno mostrato come calcolare la forza necessaria a queste operazioni. Si
tratta di un avanzamento chiave per la nanotecnologia: è come se dei normali ingegneri scoprissero
per la prima volta come costruire un ponte sopra un grande fiume; per farlo dovrebbero conoscere la
forza dei diversi materiali. Invece di aver scoperto quanta forza ci vuole per fare un pezzo di
metallo, i nanoingegneri hanno misurato quanto forza ci vuole per spostare un atomo di cobalto su
una superficie di rame. “È aumentata la nostra comprensione di come lavora la natura”, dice Ternes,
“se vuoi costruire qualcosa, devi sapere qual’è il massimo carico che può sopportare. A livello
della nanoscala, è importante conoscere le interazioni tra gli elementi se vuoi spostare qualcosa”.

Per effettuare la nanoscopica misurazione, i nanoscienziati hanno modificato un STM, come aveva
fatto anche Eigler nel 1989, che normalmente viene usato per visualizzare singoli atomi. Montando un
ago sul microscopio, hanno potuto misurarne il movimento mentre spostava l’atomo. In questo modo,
hanno scoperto che ci vogliono 210 piconewtons per muovere un atomo di cobalto su una superficie di
platino, 17 piconewtons su una superficie di rame. Così chiamato in omaggio di Sir Isaac Newton, un
piconewton corrisponde circa alla forza necessaria per tenere in mano un bicchiere di vino.

Grazie a queste misurazioni, si potranno storare dati in pochi atomi, il ché consentirà la
realizzazione di computer atomico-quantistici e di ridurre la dimensione dei transistors usati nei
chips per computer in modo da abbassare il consumo di energia ed aumentare la velocità delle
operazioni.

In una virtuosa dimostrazione nanotecnologica, un team di fisici della Stanford guidato da Hari
Manoharan ha usato, mediante un STM, sottilissimi muri composti da molecole di monossido di carbonio
in modo da confinare elettroni su una superficie di rame e farli risuonare come delle “batterie
quantistiche” (ognuna contenente circa 30 elettroni “murati” in 100 molecole di monossido di
carbonio). Seppur confinati da diverse forme di muri, gli elettroni hanno risuonato nello stesso
modo, perché evidentemente condividevano le stesse propietà (il suono prodotto è fatto di frequenze
ultra-alte, nel range dei terahertz). I nanoricercatori sperano in questo modo di ottenere
informazioni quantiche normalmente molto difficili da ottenere (i risultati sono stati pubblicati su
Science).

Il fenomeno è conosciuto come “isospettralità”. Nella pratica, poter disporre di differenti
nanostrutture con proprietà identiche servirà nella progettazione di circuiti nano-elettronici.
Inoltre, il team di Manoharan ha trovato il modo di estrarre informazioni mediante misurazioni delle
batterie quantiche isospettrali che poi ha combinato matematicamente (il processo è chiamato
“trapianto quantistico”).

(fonte: “Quantum Phase Extraction in Isospectral Electronic Nanostructures”)

Data articolo: aprile 2008

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