Un insolito effetto quantistico che ferma completamente una particella è stato ricreato dagli scienziati. L’esperimento è stato condotto con un computer quantistico ibrido. I ricercatori dell’Università di Oxford, mentre riproducevano l’effetto Aharonov-Bohm — che mostra come una particella possa essere influenzata da un campo magnetico senza attraversarlo — hanno osservato che l’invisibile effetto magnetico fermava completamente la particella simulata. Il risultato è stato pubblicato sulla rivista Nature Physics. Nello studio sono state esaminate le interazioni materia-campo, la cui simulazione con i computer classici diventa sempre più difficile, combinando i qubit — le unità fondamentali dell’informazione quantistica — con oscillatori quantistici che rappresentano il moto vibratorio.
L’effetto era stato previsto nel 1959 dai fisici Yakir Aharonov e David Bohm. Una particella carica poteva subire una variazione misurabile nella sua fase quantistica anche passando completamente all’esterno della regione contenente il flusso magnetico. La fase stessa non è osservabile direttamente. Nonostante ciò, le differenze di fase producono effetti misurabili e questa previsione è stata successivamente confermata da esperimenti condotti con elettroni reali.
Questa volta l’attenzione si è concentrata sulle teorie di gauge su reticolo. I ricercatori studiano lo stesso fenomeno in queste teorie, che descrivono l’interazione della materia con i campi associati alle forze fondamentali. Qui lo spazio è rappresentato come una griglia. La materia si trova nei punti, mentre i campi risiedono nei collegamenti tra questi punti. La matematica di questi modelli, importanti nella fisica delle particelle e delle alte energie, mette in difficoltà persino i potenti computer classici man mano che i sistemi diventano più complessi. La simulazione quantistica, invece, si basa sulla costruzione di un altro sistema quantistico che segue le stesse regole fondamentali, per osservarne direttamente il comportamento.
Il progetto è iniziato nel 2022. L’autore principale dello studio è stato il Dr. Sebastian Saner, con la collaborazione della Dr.ssa Oana Bazavan e del Dr. Alejandro Bermudez dell’Instituto de Física Teórica di Madrid. L’esperimento ha utilizzato due componenti. I qubit, codificati negli stati interni di atomi carichi mantenuti in posizione da campi elettromagnetici, hanno rappresentato i campi di gauge, mentre gli oscillatori, costituiti dalle vibrazioni degli stessi ioni, hanno rappresentato la materia. Due oscillatori hanno rappresentato la materia in due posizioni, mentre due qubit hanno rappresentato i campi che uniscono tali posizioni, formando un semplice anello.
Il team ha codificato il flusso nei qubit. I due qubit sono stati portati in uno stato quantistico entangled che rappresentava il flusso magnetico che attraversa il centro dell’anello. Il piano iniziale era diverso. Era previsto di aggiungere il flusso come condizione di sfondo fissa, ma l’hardware utilizzato non si prestava ad applicare direttamente questo approccio. La codifica del flusso nei qubit ha offerto un’alternativa pratica e ha reso il flusso parte del sistema in evoluzione. “Il passo entusiasmante per noi è stato codificare il flusso magnetico in un campo di gauge che fosse esso stesso dinamico”, afferma il Dr. Saner.
La simulazione ha testato il tunneling. In assenza di flusso magnetico, la particella poteva tunnelare liberamente nell’anello. Quando il flusso è stato aggiunto, le fasi relative dei due possibili percorsi sono cambiate, i percorsi si sono annullati a vicenda per interferenza distruttiva e il tunneling è stato completamente soppresso. La particella è rimasta bloccata nel suo stato iniziale. Di conseguenza, l’effetto Aharonov-Bohm è stato dimostrato in una teoria di gauge su griglia contenente un campo dinamico.
I risultati sono stati pubblicati insieme. Anche il team dell’Università del Maryland guidato dal Prof. Norbert Linke ha realizzato uno studio correlato che simula il potenziale di Yukawa. I due gruppi hanno sviluppato i rispettivi metodi in modo indipendente. Tuttavia, hanno presentato i loro articoli a Nature Physics in modo coordinato.
Perché è importante
Questo esperimento mostra con un esempio concreto che i computer quantistici possono essere applicati a problemi di fisica in cui le macchine classiche faticano a essere all’altezza. Poiché le teorie di gauge su griglia, modelli fondamentali della fisica delle particelle e delle alte energie, superano persino i computer classici più potenti man mano che il sistema diventa più complesso, il simulatore ibrido offre una via alternativa a questo collo di bottiglia. Il fatto che il design che unisce qubit e oscillatori nello stesso hardware sia nato, per giunta, da un vincolo hardware non pianificato indica che con risorse limitate si possono rappresentare sistemi più complessi. La pubblicazione simultanea sulla stessa rivista dei lavori sviluppati da due team indipendenti con metodi diversi sostiene che la scoperta non sia peculiare di un singolo laboratorio. La domanda che resta aperta è se questo approccio possa essere trasferito a sistemi fisici di scala più grande e più realistici.