I computer quantistici intrecciano 'anyon', quasiparticelle a lunga ricerca con memoria.

Anyoni, qualcuno?

Gli scienziati hanno creato strani oggetti simili a particelle chiamati anyoni non abeliani. Queste quasiparticelle tanto ricercate possono essere “intrecciate," il che significa che possono essere mosse attorno l'una all'altra e conservare una memoria di tale scambio, simile a come una coda di cavallo intrecciata tiene traccia dell'ordine in cui le ciocche si incrociano l'una sull'altra.

Due team indipendenti - uno guidato dai ricercatori di Google, un altro dai ricercatori dell'azienda Quantinuum di informatica quantistica - hanno dichiarato di aver creato e intrecciato versioni di questi anyoni utilizzando i computer quantistici. I risultati di Google e Quantinuum, rispettivamente riportati l'11 maggio su Nature e il 9 maggio su arXiv.org, potrebbero aiutare gli scienziati a costruire computer quantistici che sono resistenti agli errori che attualmente affliggono le macchine.

Gli anyoni non abeliani sfidano l'intuizione comune su ciò che accade agli oggetti quando si scambiano di posizione. Immagina il gioco di strada con le tazze e le palline, in cui un artista scambia coppe identiche avanti e indietro. Se non stai guardando attentamente, non sapresti mai se due coppe sono state mosse attorno l'una all'altra e riportate alle loro posizioni originali. Nel mondo quantistico, non è sempre così.

«Si prevede che ci sia questa particella folle dove, se le scambi mentre hai gli occhi chiusi, puoi effettivamente capirlo dopo il fatto», dice il fisico Trond Andersen di Google Quantum AI a Santa Barbara, in California. «Questo va contro il nostro buon senso ed è pazzesco».

Le particelle nel nostro regolare mondo tridimensionale non possono fare questo trucco di magia. Ma quando le particelle sono confinate in solo due dimensioni, le regole cambiano. Mentre gli scienziati non hanno un universo 2D in cui esplorare particelle, possono manipolare materiali o computer quantistici per mostrare un comportamento simile a quello delle particelle che vivono in due dimensioni, creando oggetti noti come quasiparticelle.

Tutte le particelle subatomiche fondamentali cadono in due classi, basate su come le particelle identiche di ciascun tipo si comportano quando scambiate. Sono o fermioni, una classe che include elettroni e altre particelle che compongono la materia, o bosoni, che comprendono particelle di luce note come fotoni.

Ma in due dimensioni, c'è un'altra opzione: gli anyon. Per bosoni o fermioni, scambiare particelle identiche avanti e indietro o muoverle l'una attorno all'altra non può avere un effetto direttamente misurabile. Per gli anyoni, sì.

Negli anni '90, gli scienziati hanno capito che una specifica versione di un anyon, chiamato anyon non abeliano, potrebbe essere utilizzata per costruire computer quantistici che potrebbero salvaguardare fragile informazione quantistica, che è facilmente sconvolta da disturbi minimi.

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«Per motivi fondamentali questi anyoni sono stati molto entusiasmanti, e per motivi pratici le persone sperano che possano essere utili», dice il fisico teorico Maissam Barkeshli dell'Università del Maryland a College Park, che non ha partecipato ad alcuno dei due studi.

Il team di Google ha creato gli anyoni utilizzando un computer quantistico superconduttore, in cui i bit quantici, o qubit, sono fatti di materiale che conduce l'elettricità senza resistenza. Lo studio di Quantinuum, che deve ancora essere sottoposto a revisione paritaria, si basa su un computer quantistico il cui qubit è composto da atomi elettricamente carichi di itterbio e bario intrappolati. In entrambi i casi, gli scienziati hanno manipolato i qubit per creare gli anyoni e muoverli, dimostrando un cambiamento misurabile dopo che gli anyoni erano stati intrecciati.

Gli scienziati hanno precedentemente creato e intrecciato un tipo di anyon meno esotico, chiamato anyon abeliano, all'interno di uno strato 2D di un materiale solido (SN: 7/9/20). E molti fisici stanno cercando un materiale solido che possa ospitare il tipo non abeliano.

Ma i nuovi studi creano stati non abeliani all'interno dei qubit all'interno di un computer quantistico, il che è fondamentalmente diverso, afferma Barkeshli. «Stai creando sinteticamente lo stato per un momento fugace». Ciò significa che non ha tutte le proprietà che gli anyoni all'interno di un materiale solido avrebbero, dice.

In entrambi i casi, molto altro lavoro deve essere fatto prima che gli anyoni possano creare potenti computer quantistici resistenti agli errori. Lo studio di Google, in particolare, produce un anyon simile a un pesce fuori dall'acqua. È un non-abeliano all'interno di un quadro abeliano più comune. Ciò significa che quegli anyon potrebbero non essere così potenti per l'informatica quantistica, afferma Barkeshli.

Non si tratta solo di utilità pratica. Dimostrare che gli anyoni non abeliani esistono è fondamentalmente importante, afferma Henrik Dreyer di Quantinuum, un fisico a Monaco. «Conferma che le regole della meccanica quantistica si applicano nel modo in cui pensavamo che si applicassero».