I ricercatori dell'EPFL hanno raggiunto un risultato straordinario: hanno catturato e studiato i cambiamenti di fase nell'hardware quantistico, promettenti per le tecnologie di prossima generazione come il calcolo quantistico e i sensori ultrasensibili
Le transizioni di fase, come l'acqua che si congela in ghiaccio, sono una parte familiare del nostro mondo. Ma nei sistemi quantistici, possono comportarsi in modo ancora più drammatico, con proprietà quantistiche come l'incertezza di Heisenberg che svolgono un ruolo centrale. Inoltre, vari effetti spuri possono causare la perdita o la dissipazione di energia nell'ambiente da parte dei sistemi. Quando ciò avviene, queste “transizioni di fase dissipative” (dissipative phase transitions - DPTs) spingono i sistemi quantistici in nuovi stati.
Esistono diversi tipi o “ordini” di DPTs. I DPTs di primo ordine sono come azionare un interruttore, causando bruschi salti tra gli stati. I DPTs di secondo ordine sono più fluidi ma comunque trasformativi, cambiando una delle caratteristiche globali del sistema, nota come simmetria, in modi sottili ma profondi.
I DPTs sono fondamentali per comprendere il comportamento dei sistemi quantistici in condizioni di non equilibrio, dove gli argomenti basati sulla termodinamica spesso non riescono a fornire risposte. Oltre alla pura curiosità, ciò ha implicazioni pratiche per la costruzione di computer e sensori quantistici più robusti. Ad esempio, i DPTs di secondo ordine potrebbero migliorare l'archiviazione delle informazioni quantistiche, mentre i DPTs di primo ordine rivelano importanti meccanismi di stabilità e controllo del sistema.
Teoricamente, si prevede che i DPTs mostrino proprietà specifiche, come rallentamento e bistabilità, che si verificano con specifiche scale di legge di potenza. Finora, osservarli è stato un ostacolo scientifico importante, in particolare quelli di secondo ordine.
Ma ora, un team di ricercatori ha fatto proprio questo. Guidati dal professor Pasquale Scarlino (1) dell'EPFL, hanno sviluppato un risonatore Kerr superconduttore, un dispositivo con proprietà quantistiche controllabili, e lo hanno progettato per sperimentare un azionamento a due fotoni, che invia coppie di fotoni nel sistema per controllare attentamente il suo stato quantistico e studiare come transita tra diverse fasi. Questo studio è stato pubblicato su Nature Communications (2).
Variando sistematicamente parametri come detuning e ampiezza di pilotaggio, sono stati in grado di studiare le transizioni del sistema da uno stato quantico a un altro. L'approccio ha permesso loro di osservare sia un DPT di primo ordine che di secondo ordine.
Per garantire l'accuratezza, gli esperimenti sono stati condotti a temperature prossime allo zero assoluto, riducendo il rumore di fondo a quasi zero. Il risonatore Kerr è stato fondamentale perché può amplificare effetti quantistici che sono spesso troppo sottili da osservare. Poiché può rispondere a segnali a due fotoni con estrema sensibilità, i ricercatori sono stati in grado di usarlo per esplorare transizioni di fase con una precisione senza precedenti, qualcosa che le configurazioni tradizionali semplicemente non possono ottenere.
L'impostazione ha permesso al team di monitorare il comportamento dei fotoni emessi dal risonatore con rilevatori ultrasensibili. Utilizzando tecniche matematiche avanzate, come la connessione con le proprietà spettrali del superoperatore Liouvillian, uno strumento che modella complessi processi quantistici, gli scienziati sono stati in grado di tracciare e analizzare con precisione le transizioni di fase del sistema.
Per il DPT di secondo ordine, il team ha osservato un fenomeno chiamato “squeezing”, in cui le fluttuazioni quantistiche scendono a livelli inferiori al rumore di fondo naturale dello spazio vuoto, segnalando che il sistema ha raggiunto uno stato altamente sensibile e trasformativo. Nel frattempo, il DPT di primo ordine ha mostrato cicli di isteresi distinti, in cui il sistema potrebbe esistere in due stati a seconda di come sono stati regolati i parametri.
In secondo luogo, hanno trovato prove evidenti di stati metastabili durante il DPT di primo ordine, in cui il sistema rimaneva temporaneamente in uno stato stabile prima di passare bruscamente a un altro. Questo comportamento, che porta a una dipendenza dello stato del sistema dalla sua storia precedente nota come isteresi, mostra come i DPT di primo ordine coinvolgano fasi in competizione.
Infine, hanno osservato un “rallentamento critico” in entrambi i tipi di transizioni che riproduce la scalabilità prevista ottenuta da considerazioni teoriche. Ciò dimostra in definitiva la validità delle previsioni teoriche basate sulla teoria Liouviliana utilizzata dagli autori. Vicino ai punti critici, la risposta del sistema ha rallentato in modo significativo, evidenziando una caratteristica universale delle transizioni di fase che potrebbe essere sfruttata per misurazioni quantistiche più precise.
La comprensione dei DPTs apre nuove possibilità per l'ingegneria di sistemi quantistici che siano sia stabili che reattivi. Ciò potrebbe rivoluzionare le tecnologie informatiche quantistiche, come la correzione degli errori nel calcolo quantistico o lo sviluppo di sensori quantistici ultrasensibili.
Più in generale, questa ricerca mette in luce il potere della collaborazione interdisciplinare, che unisce fisica sperimentale, modelli teorici avanzati e ingegneria all'avanguardia per esplorare le frontiere della scienza.
«In effetti, un aspetto molto interessante di questo lavoro è che dimostra anche come una stretta collaborazione tra teoria ed esperimento possa portare a risultati molto più grandi di quelli che entrambi i gruppi avrebbero potuto ottenere in modo indipendente», conclude Guillaume Beaulieu (3), primo autore dell'articolo.
Riferimenti:
Descrizione foto: Circuito di risonatore superconduttore non lineare per lo studio delle transizioni di fase dissipativa. - Credit: Guillaume Beaulieu (EPFL).
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Unlocking the secrets of phase transitions in quantum hardware