Una nuova tecnica di risonanza magnetica potrebbe rivoluzionare l'informatica quantistica

Nel 2001, un team di fisici dell'IBM e della Stanford University nella Silicon Valley ha rivelato di aver costruito un computer straordinario in grado di sfruttare le strane regole della meccanica quantistica per elaborare le informazioni.

Questo computer quantistico è stato progettato per fattorizzare i numeri, un problema con cui i computer convenzionali hanno particolari problemi. La squadra lo ha dimostrato con orgoglio trovando i due fattori primi del numero 15 (3 e 5, nel caso ve lo steste chiedendo).

È stata un'impresa impressionante. È stato possibile perché un oggetto quantistico può esistere in due stati contemporaneamente, rappresentando uno 0 e uno contemporaneamente. Questo tipo di sovrapposizione consente a un oggetto quantistico di calcolare con 2 bit contemporaneamente, due oggetti quantistici con quattro bit contemporaneamente, otto oggetti quantistici con 256 bit e così via.

L'IBM/Stanford aveva solo sette qubit a sua disposizione. Ma la promessa di questo tipo di dispositivi è enorme: un computer con soli 30 qubit sarebbe più potente di qualsiasi computer convenzionale esistente.

Ma nei dieci anni trascorsi da allora, nessuno ha costruito un computer quantistico molto più potente di questo. Come mai?

La macchina IBM/Stanford ha funzionato utilizzando una tecnica chiamata risonanza magnetica. L'idea è di trovare una molecola che contenga nuclei atomici che possono essere fatti ruotare verso l'alto o verso il basso a energie leggermente diverse. Ciò consente di indirizzare separatamente ciascun nucleo utilizzando la tecnica della risonanza magnetica.

Ciò comporta il collocarli in un potente campo magnetico, zapping con onde radio e quindi ascoltare l'eco. (Chiunque abbia avuto una risonanza magnetica avrà avuto lo stesso trattamento.)

La tecnica funziona con tutti i tipi di molecole come acetone, caffeina e persino alcol, sebbene il team IBM/Stanford abbia utilizzato una molecola esotica nota come complesso di ferro perfluorobutadienile per ottenere i loro sette qubit. E funziona anche a temperatura ambiente, il che è utile.

Ma ecco la cosa. Il segnale di una singola molecola è troppo debole perché questa tecnica possa essere captato, quindi devi usare un'intera tazza di molecole per fare il calcolo. E ciò pone gravi limiti alla scalabilità della tecnica.

L'uso di molecole più grandi per aumentare il numero di qubit riduce drasticamente il segnale che puoi raccogliere da ciascun qubit. Quindi la tecnica della risonanza magnetica che utilizza una tazza di molecole non funziona per molti più di una manciata di qubit.

Ecco perché i fisici sono rimasti bloccati per così tanto tempo. Nessuno sapeva come aumentare il numero di qubit, fino ad ora.

Oggi, Mike Grinolds e compagni dell'Università di Harvard affermano di aver risolto il problema. E il modo in cui l'hanno fatto è ridurre l'estremità commerciale di una macchina a risonanza magnetica alle dimensioni di una capocchia di spillo. (Se hai mai visto una macchina per la risonanza magnetica, saprai che impresa è.)

Lo hanno fatto posizionando un potente magnete sulla punta di scansione di un microscopio a forza atomica. In questo modo, possono creare un potente gradiente di campo magnetico in un volume di spazio di pochi nanometri. Ciò consente loro di stimolare e controllare la risonanza magnetica dei singoli elettroni.

Hanno testato il loro dispositivo sui cosiddetti posti vacanti di azoto nei diamanti. Questi vengono creati seppellendo singoli atomi di azoto in sottili fogli di diamante. I fisici quantistici sono affascinati da questi posti vacanti perché sono ben protetti dal mondo esterno e quindi stabili, e sono facili da vedere grazie ai fotoni che emettono.

Questi posti vacanti possono anche essere posizionati vicini tra loro in modo che possano interagire tra loro, un requisito cruciale per i computer quantistici perché consente la creazione di porte logiche quantistiche con più di un set di input e output.

Ma tali porte funzioneranno solo se gli elettroni nei posti vacanti possono essere manipolati nel modo giusto.

Questo è esattamente ciò che consente la nuova tecnica di risonanza magnetica: la manipolazione degli elettroni in un modo che potrebbe essere facilmente adattato per il calcolo quantistico.

Grinold e colleghi affermano che questo ha intriganti potenziali applicazioni che vanno dai magnetometri sensibili su nanoscala ai processori di informazioni quantistiche scalabili.

È una svolta entusiasmante. I posti vacanti di azoto nel diamante sono ben studiati in molti laboratori in tutto il mondo e i microscopi a forza atomica sono pezzi di kit abbastanza standard. Aggiungete questo al fatto che il primo computer quantistico su larga scala quasi sicuramente vincerà al suo proprietario un premio decente e avrete tutti gli ingredienti per una gara mozza.

E questo senza menzionare i numerosi altri corridori: trappole ioniche, cavità quantistiche, qubit superconduttori e porte logiche ottiche e simili.

Nella corsa a ostacoli del calcolo quantistico, una volta sembrava che la risonanza magnetica fosse caduta all'inizio. Ora è di nuovo in corsa e insegue il vantaggio.

Rif: arxiv.org/abs/1103.0546 : Controllo quantistico degli spin prossimali mediante imaging a risonanza magnetica su nanoscala

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