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La gemma della Namibia potrebbe essere la chiave per i futuri computer quantistici

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Un team internazionale di ricercatori è riuscito a produrre polaritoni Rydberg da un minerale contenente cristalli di ossido di rame provenienti da un antico deposito in Namibia. Le particelle risultanti sono le più grandi particelle ibride di luce e materia mai create e potrebbero contenere la chiave per i nuovi computer quantistici basati sulla luce.

Gli atomi possono interagire tra loro ma si muovono molto lentamente mentre i fotoni si muovono rapidamente ma non interagiscono tra loro. Tuttavia, produrre fotoni ottici e consentire loro di interagire in modo controllato sono due prerequisiti necessari per lo sviluppo di comunicazioni quantistiche a lungo raggio e, più in generale, per l’elaborazione quantistica delle informazioni codificate sui fotoni.

Per raggiungere questo obiettivo, un approccio consiste nel creare particelle ibride, sia materia che luce, chiamate polaritoni di Rydberg; queste quasi-particelle si spostano continuamente dalla luce alla materia e viceversa. Un team ora riferisce di aver creato tali particelle utilizzando un cristallo di ossido di rame (Cu2O). Il loro lavoro rappresenta una vera svolta: le interazioni tra i polaritoni sono essenziali per creare simulatori quantistici in grado di risolvere i più grandi misteri della scienza.

Causando interazioni tra fotoni

Realizzare un simulatore quantistico con la luce è il Santo Graal della scienzaHamid Ohadi ha dichiarato in una dichiarazione:, fisico dell’Università di St Andrews nel Regno Unito e coautore dello studio che presenta questo lavoro. Un simulatore quantistico è un tipo speciale di computer quantistico che controlla le interazioni tra bit quantistici (qubit) in modo da poter simulare determinati problemi quantistici particolarmente difficili da modellare. In altre parole, un simulatore è più specifico di un computer quantistico: dovrebbe essere in grado di risolvere qualsiasi tipo di problema.

Nei polaritoni di Rydberg, luce e materia sono come due facce di una medaglia, spiegano i ricercatori; è il lato della materia che fa interagire i polaritoni tra loro. Sono formati dall’accoppiamento di eccitoni e fotoni. Per produrli, i ricercatori hanno utilizzato una pietra preziosa (chiamata cuprite) che contiene ossido di rame, perché questo materiale è un potente superconduttore quando viene raffreddato a una temperatura critica. Precedenti ricerche avevano anche dimostrato che l’ossido di rame conteneva eccitoni “giganti” di Rydberg, dell’ordine di un micrometro, una dimensione che favorisce le interazioni.

Gli eccitoni sono quasi-particelle elettricamente neutre – che possono essere considerate come una coppia elettrone-elettrone-lacuna, legate da forze di Coulomb – che possono accoppiarsi con particelle di luce nelle giuste condizioni. Ad esempio, gli eccitoni di ossido di rame possono essere accoppiati a fotoni, in un dispositivo chiamato interferometro di Fabry-Perot, costituito da due specchi semiriflettenti planari e paralleli, con elevati coefficienti di riflessione. In questo interferometro, la luce in ingresso compie diversi viaggi di andata e ritorno nella cavità ottica ed esce parzialmente ad ogni riflessione, i raggi in uscita interferendo tra loro.

I ricercatori hanno utilizzato un tale dispositivo per realizzare i polaritoni di Rydberg. Il cristallo di ossido di rame, prelevato da una pietra estratta da un antico giacimento di cuprite in Namibia, è stato diluito e lucidato per ottenere una lastra spessa 30 micrometri (più sottile di una ciocca di capelli umani!); questa lastra è stata poi inserita tra i due specchi altamente riflettenti.

Le basi dei futuri circuiti quantistici

Grazie al loro nuovo dispositivo, il team ha ottenuto polaritoni Rydberg con un diametro di 0,5 m, che è 100 volte più grande di quelli ottenuti finora! † L’acquisto della pietra su eBay è stato facile. La sfida era creare polaritoni Rydberg che esistessero in una gamma di colori estremamente ristretta sottolinea il fisico Sai Kiran Rajendran, dell’Università di St Andrews e coautore dello studio.L’obiettivo è stato raggiunto e questo lavoro getta le basi per futuri circuiti quantistici ad alta computazione.

Riunendo le possibilità di interazione della materia e la velocità delle particelle di luce, i simulatori quantistici possono risolvere importanti misteri della fisica, della chimica e della biologia che i computer di oggi non sono in grado di risolvere. In particolare, i ricercatori fanno riferimento allo sviluppo di superconduttori ad alta temperatura per i treni ad alta velocità; questa tecnologia potrebbe anche aiutare a capire meglio come si ripiegano le proteine, facilitando la produzione di farmaci più efficaci.

Il team sta attualmente continuando la ricerca per esplorare la possibilità di controllare questi polaritoni per fabbricare circuiti quantistici, il prossimo ingrediente dei simulatori quantistici. † Questi risultati aprono la strada alla realizzazione di polaritoni di eccitoni altamente interagenti e all’esplorazione di fasi della materia altamente correlate utilizzando la luce su un chip. riassumere i ricercatori Materiali naturali

Fonte : K. Orfanakis et al., Materiali naturali

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