Neix QUIONE, un processador quàntic analògic únic al món

La física quàntica necessita tècniques de detecció d'alta precisió per aprofundir en les propietats microscòpiques dels materials. Dels processadors quàntics analògics que han anat sorgint, els anomenats microscopis de gasos quàntics han demostrat ser eines potents per aconseguir comprendre els sistemes quàntics a nivell atòmic. Aquests dispositius produeixen imatges de gasos quàntics amb una resolució molt alta: permeten detectar cadascun dels àtoms.

Ara, els investigadors de l'ICFO (Barcelona) Sandra Buob, Jonatan Höschele, Dr. Vasiliy Makhalov i Dr. Antonio Rubio-Abadal, dirigits per la investigadora  ICREA de l'ICFO Leticia Tarruell, expliquen com han construït el seu propi microscopi de gasos quàntics, anomenat QUIONE en honor a la deessa grega de la neu. El microscopi de gasos quàntics del grup és l’únic que capta imatges d’àtoms individuals de gasos quàntics d’estronci al món.

Més enllà de l'espectacularitat de les imatges on es poden distingir àtoms individuals, l'objectiu de QUIONE és la simulació quàntica. Com explica la Prof. ICREA Leticia Tarruell: “La simulació quàntica es pot utilitzar per reduir sistemes molt complicats a models més simples per després comprendre preguntes obertes que els ordinadors actuals no poden respondre, com per què alguns materials condueixen electricitat sense pèrdues fins i tot a temperatures relativament altes”. La investigació del grup de l’ICFO en aquest àmbit ha rebut suport a nivell nacional (premi de la Reial Societat Espanyola de Física, i projectes i beques de la Fundació BBVA, la Fundació Ramón Areces, la Fundació La Caixa i la Fundació Cellex) i europeu (incloent-hi un projecte ERC). El projecte QUIONE compta amb el cofinançament de la Generalitat de Catalunya, a través de la Secretaria de Polítiques Digitals del Departament d’Empresa i Treball, en el marc de l’aposta del Govern català per l’impuls de les tecnologies quàntiques.

La singularitat d’aquest experiment recau en el fet que han aconseguit portar el gas d’estronci al règim quàntic, col·locar-lo en una xarxa òptica on els àtoms poguessin interactuar per col·lisions i després aplicar les tècniques d’imatge d’àtoms individuals. Aquests tres ingredients junts fan que el microscopi de gas quàntic d'estronci de l'ICFO sigui únic a la seva espècie.

Per què estronci?

Fins ara, aquests microscopis s'havien basat en àtoms alcalins, com el liti i el potassi, que tenen propietats més simples en termes del seu espectre òptic en comparació amb els àtoms alcalinoterris com l'estronci. Això significa que, en aquests experiments, l'estronci ofereix més ingredients amb què jugar.

De fet, en els darrers anys, les propietats úniques de l'estronci l'han convertit en un element molt popular per a aplicacions en els camps de la computació i la simulació quàntiques. Per exemple, es pot utilitzar un núvol d'àtoms d'estronci com a processador quàntic atòmic, el qual podria resoldre problemes que van més enllà de les capacitats dels ordinadors clàssics actuals.

Amb tot, els investigadors de l'ICFO van veure en l'estronci un gran potencial per a la simulació quàntica, i van posar fil a l'agulla per construir el seu propi microscopi de gasos quàntics. Així va ser com va néixer QUIONE.

QUIONE, un simulador quàntic de cristalls reals

Per fer-ho, primer van rebaixar la temperatura del gas d'estronci. Utilitzant la força de diversos raigs làser, es pot disminuir la velocitat dels àtoms fins arribar a un punt en què queden pràcticament immòbils, gairebé sense moure's, reduint la seva temperatura fins gairebé el zero absolut en tan sols uns mil·lisegons. Aleshores, les lleis de la mecànica quàntica en regeixen el comportament i els àtoms mostren noves característiques com la superposició i l'entrellaçament quàntics.

Després, amb l'ajuda de làsers especials, els investigadors van activar la xarxa òptica, cosa que manté els àtoms ordenats a l'espai formant una quadrícula. “Pots imaginar-te una ouera, on els buits individuals s'omplen amb els ous. Però en comptes d'ous tenim àtoms i en comptes d'una ouera tenim la xarxa òptica”, explica Sandra Buob, primera autora de l'article.

Els àtoms a l'ouera interaccionaven entre si, de vegades experimentant l'efecte túnel per moure's d'un lloc a l'altre. Aquesta dinàmica quàntica entre àtoms imita la dels electrons en certs materials. Per tant, l’estudi d’aquests sistemes pot ajudar a comprendre el complex comportament de determinats materials, la idea clau de la simulació quàntica.

Quan el gas i la xarxa òptica van estar a punt, els investigadors van realitzar les imatges amb el seu microscopi i, finalment, van poder observar el seu gas quàntic d'estronci àtom a àtom. Arribats a aquest moment, la construcció de QUIONE ja havia estat un èxit, però els seus creadors li van voler treure encara més partit.

Així, a més de les fotografies, van fer vídeos dels àtoms i van poder observar que, si bé els àtoms haurien de romandre quiets durant la presa d'imatges, de vegades saltaven a un punt de la xarxa proper. Això es pot explicar per l'efecte túnel. “Els àtoms estaven “saltant” d'un lloc a l'altre. Va ser un procés molt bonic de veure, ja que literalment estàvem presenciant una manifestació directa del seu comportament quàntic inherent”, comenta Buob.

Finalment, el grup de recerca va utilitzar el microscopi de gasos quàntics per confirmar que el gas d'estronci era un superfluid, una fase quàntica de la matèria que flueix sense viscositat. “Vam apagar el làser de xarxa de cop i volta perquè els àtoms poguessin expandir-se en l'espai i interferir entre si. Això va generar un patró d'interferència, a causa de la dualitat ona-partícula dels àtoms al superfluid. Quan el nostre equip el va captar, vam comprovar la presència de superfluïdesa a la mostra”, explica el Dr. Antonio Rubio-Abadal.

“És un moment molt emocionant per a la simulació quàntica”, comparteix la professora ICREA Leticia Tarruell. “Ara que hem afegit l'estronci a la llista de microscopis de gasos quàntics disponibles, aviat podrem simular materials més complexos i exòtics. Aleshores s'espera que sorgeixin noves fases de la matèria. I també esperem obtenir molta més potència computacional per utilitzar aquesta maquinària com a ordinadors quàntics analògics”.

___

Sobre QUIONE i les Tecnologies Quàntiques

QUIONE és un programa creat per ICFO que té com a objectiu utilitzar processadors quàntics basats en àtoms ultrafreds detectats i controlats individualment per resoldre problemes difícils per als ordinadors clàssics. El programa inclou el processador quàntic analògic QUIONE I, el microscopi de gasos quàntics esmentat a l'estudi, i un processador híbrid analògic-digital anomenat QUIONE II, que actualment es troba en construcció. QUIONE forma part dels vuit grans programes que la Generalitat de Catalunya, a través de la Secretaria de Polítiques Digitals, cofinança en el marc de la seva aposta per l’impuls de les tecnologies quàntiques.