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Studio di Rosario Lo Franco: “Possibile sconfiggere il grande nemico delle tecnologie quantistiche: la decoerenza”

17-ott-2016

Un team di fisici ha dimostrato sperimentalmente che è possibile sconfiggere il grande nemico delle tecnologie quantistiche: “la decoerenza”. Autore di questo studio, pubblicato sulla prestigiosa rivista internazionale Physical Review Letters della American Physical Society, è il fisico teorico Rosario Lo Franco del Dipartimento di Energia, Ingegneria dell’Informazione e Modelli Matematici (DEIM), in collaborazione con colleghi del Brasile (Universidade de São Paulo, Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas di Rio de Janeiro), della Germania (Technische Universität München) e del Regno Unito (University of Nottingham).
In particolare, questa ricerca coinvolge il prof. Gerardo Adesso della University of Nottingham, partner del progetto CORI per lo sviluppo di collaborazioni internazionali dell’Ateneo palermitano (CORI-2016-C-D07-162050) di cui Rosario Lo Franco è coordinatore.
La capacità dei sistemi quantistici di esistere simultaneamente in una sovrapposizione di due o più stati (coerenza quantistica) promette di rivoluzionare le tecnologie di comunicazione e informazione e di costruire computer che sono esponenzialmente più veloci rispetto ai dispositivi classici di oggi. Tuttavia, questi “stati sovrapposizione” sono solitamente distrutti da interferenze ambientali (decoerenza) dopo solo una frazione di secondo. Uno dei modi di aggirare il problema sarebbe quello di aggiungere ulteriori controlli e schemi di correzione al sistema, che tuttavia consumerebbe ingenti risorse che richiedono un numero sempre maggiore di bit quantistici (qubit) e precisissimi segnali esterni di difficile realizzazione pratica. Nel nuovo lavoro, Rosario Lo Franco e colleghi hanno scoperto che in alcuni sistemi compositi, fatti da due o più qubit e che non dissipano energia verso l'ambiente, è possibile ritardare l'inizio della decoerenza di almeno un secondo - e, in linea di principio, indefinitamente - senza ricorrere alla correzione degli errori o ad altri sistemi artificiali. La strategia, rivelano i fisici, è quella di preparare opportuni stati del sistema la cui coerenza quantistica possa essere osservata lungo una direzione perpendicolare a quella su cui agisce la sorgente di rumore. I ricercatori hanno osservato questo “congelamento di coerenza quantistica” in sistemi di spin contenenti due e quattro qubit realizzati, rispettivamente nei laboratori in Brasile e Germania, con risonanza magnetica nucleare a temperatura ambiente, e dicono che tali stati in futuro potrebbero essere utilizzati per effettuare magnetometria a basso rumore. Questo risultato apre la via alla progettazione di dispositivi di nuova generazione capaci di sfruttare la coerenza quantistica con performance intatta in condizioni realistiche e avverse. Oltre agli aspetti tecnologici, il risultato di questa ricerca può far luce sulla coerenza quantistica, provata da precedenti ricerche, che si verifica spontaneamente in sistemi biologici, come nei cosiddetti complessi antenna (light harvesting complex) che raccolgono energia luminosa durante la fotosintesi. “Il nostro studio – dice Lo Franco – suggerisce che le piante possano aver sviluppato un’abilità a controllare meccanismi naturali per la protezione di coerenza simile a quella qui dimostrata”.
La ricerca del fisico del nostro Ateneo ha già ricevuto risonanza internazionale, trovandosi nel top 5 per cento delle pubblicazioni di ricerca tracciate da Altmetric Score attraverso tutti i giornali scientifici.