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Tecnologia

Questi fisici hanno predetto con precisione il futuro di un sistema quantico

Grazie a questo enorme passo avanti nella ricerca, i big data potrebbero essere usati per compensare i sistemi quantici prima che si rompano.
Immagine: Erkan Utu/Pexels

Un gruppo di fisici dell'Università di Sydney è riuscita a dimostrare la possibilità di utilizzare i big data e il machine learning per predire con precisione il futuro di un sistema quantico. Queste previsione hanno permesso ai ricercatori di eseguire alcune azioni per evitare la discontinuità del sistema, riuscendo a compiere così un grande passo avanti nell'applicazione pratica dei sistemi quantici.

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In sistema tradizionale (ovvero, uno non-quantico), prevedere il futuro del sistema è un'operazione piuttosto diretta perché una particella occupa una singola, specifica posizione in ogni dato momento. Al contrario, in un sistema quantico, una particella può occupare due differenti posizioni nello stesso tempo, una proprietà conosciuta come principio di sovrapposizione. Questa proprietà dei sistemi quantici è sfruttata nei computer quantici per permettere alle macchine di calcolare molti problemi diversi simultaneamente, ma presenta anche una serie di difficoltà tecniche che la rendono difficile da applicare in senso pratico.

La difficoltà primaria è che il principio di sovrapposizione è incredibilmente difficile da mantenere per un periodo preciso di tempo. Il solo misurare un sistema quantico ne causerà il collasso in un sistema discreto (così che una particella occuperà o una posizione o un'altra, invece che entrambe allo stesso tempo). È impossibile isolare completamente un sistema quantico dal suo ambiente, ciononostante, anche se non è stato misurato, il sistema finirà inevitabilmente per decadere e perdere le sue proprietà quantità come risultato delle interferenze provenienti dall'ambiente.

Il decadimento di un sistema quantico è chiamato decoerenza, e ha l'effetto di randomizzare completamente lo stato quantico, rendendolo inutile per qualunque fine pratico. "Così come di tanto in tanto le componenti di un cellulare finiscono per rompersi, succede lo stesso ai sistemi quantici," ha spiegato Michael J. Biercuk, fisico sperimentale dell'Università di Sydney. "Ma nella tecnologia quantica il periodo di sopravvivenza di questi sistemi è spesso misurato in frazioni di secondo, non in mesi o anni."

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Il trucco necessario alla creazione di un migliore sistema quantico, uno di quelli che possono essere sfruttati a livello pratico nei computer quantici, corrisponde al capire come correggere le interferenze ambientali che provocano il decadimento di un sistema quantico in decoerenza prima che succeda effettivamente. Un po' come se il tuo telefono potesse monitorare lo stato e i problemi delle proprie componenti e sapere in anticipo quando, infine, si romperanno. A differenza delle componenti di un telefono, però, che decadono coerentemente a delle legge che conosciamo, i sistemi quantici incontrano lo stato di decoerenza casualmente.

"Gli esseri umani utilizzano regolarmente delle tecniche predittive nelle proprie esperienze giornaliere; per esempio, quando giochiamo a tennis prevediamo la traiettoria della palla sulla base di una serie di osservazioni che compiamo mentre la palla è ancora in aria," ha spiegato Biercuk. "Ma cosa succederebbe se le regole cambiassero randomicamente mentre la palla ti sta venendo incontro? In questo caso, è praticamente impossibile riuscire a prevedere il comportamento futuro della palla. Questo contesto corrisponde esattamente a ciò con cui abbiamo a che fare in questo caso, perché la disintegrazione dei sistemi quantici è casuale."

In altre parole, i ricercatori hanno dovuto soltanto indovinare quando e come il sistema sarebbe decaduto, un po' come finire in un campo da tennis bendati e cominciare a sventolare la racchetta, sperando prima o poi di colpire la palla.

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Per un normale essere umano, questo compito è praticamente impossibile a causa dell'enorme quantità di modi diversi attraverso cui un sistema può incontrare la decoerenza. Ma grazie al machine learning, che può filtrare database assurdamente enormi in una frazione del tempo che sarebbe necessario a un essere umano per compiere quelle stesse previsione, il team è stato capace di prevedere con precisione, e dunque prevenire, la decoerenza degli stati quantici.

Una "bottiglia elettromagnetica" utilizzata per intrappolare gli ioni, simile a quella utilizzata nell'esperimento dell'Università di Sydney. Immagine gentilmente concesso da MIchael Biercuk.

Per il loro modello quantico, i ricercatori hanno utilizzato gli ioni dell'elemento Ytterbium intrappolati dentro ciò che che Biercuk ha descritto a Motherboard come una "bottiglia elettromagnetica." Secondo Biercuk, questo dispositivo può contenere una piccola quantità di ioni in una data posizione per un periodo che va da alcune ore a diversi giorni.

"Gli ioni dell'Ytterbium sono un sistema quantico ultra-cristallino che ci permette di testare con attenzione come funziona questo approccio," ha spiegato Biercuk a Motherboard per email. "Sono la forma più avanzata di tecnologia qubit, decenni avanti alle attuali tecnologie, come gli spin dei semiconduttori. Il nostro lavoro fa parte degli sforzi portati avanti dalla comunità globale che si sta concentrando nel ricercare le caratteristiche degli ioni intrappolati."

Questi ioni rappresentano i qubit, l'equivalente quantico della più piccola unità di informazione nell'informatica classica, un bit. A differenza di un normale bit, che può corrispondere o ad uno 0 o ad un 1, un bit quantico può rappresentare entrambi i valori nello stesso tempo. Per addestrare l'algoritmo di machine learning utilizzato nell'esperimento, Biercuk e i suoi colleghi gli hanno dato in pasto delle misurazioni timestamped di qubit negli istanti in cui incontravano lo stato di decoerenza.

Il comportamento di una parte del sistema, benché inizialmente sembrasse completamente randomico, conteneva abbastanza informazioni per permettere al programma computerizzato di prevedere come il sistema sarebbe decaduto senza doverlo effettivamente osservare. Infatti, le misurazioni erano così precise che Biercuk e i suoi colleghi sono stati capaci di effettuare azioni correttive e compensare il decadimento del sistema, così da fargli mantenere le sue proprietà quantiche due o tre volte più a lungo del normale.

"Sappiamo che costruire delle reali tecnologie quantiche richiederà grandi avanzamenti nella nostra abilità di controllo e stabilizzazione dei qubit," ha detto Biercuk. "Le nostre tecniche si possono applicare su qualunque qubit in qualunque tecnologia. Non vediamo l'ora di sviluppare nuove abilità per trasformare i sistemi quantici in tecnologie davvero utili. Il futuro quantico sembra sempre migliore.