Il modo divertente di manipolare gli atomi

Ci si aspetta che le macchine che sfruttano alcuni fenomeni della fisica quantistica, essendo potenzialmente in grado di eseguire calcoli che vanno ben oltre la portata dei supercalcolatori convenzionali, modifichino il modo in cui il mondo risolve problemi complessi. Esse aiuteranno gli scienziati a sviluppare celle solari e farmaci più efficienti e persino ad avere un impatto sull’intelligenza artificiale. Questo perché a differenza dei calcolatori attuali, che lavorano manipolando bit binari che esistono in uno o due stati, 0 o 1, i computer quantici utilizzano i qubit o bit quantici. Essi rappresentano lo stato di un atomo o particella elementare (come lo spin) con la capacità di memorizzare valori multipli contemporaneamente, un fenomeno noto come sovrapposizione.

Tali sistemi coinvolgono la nozione di intrappolamento quantistico, ciò che Albert Einstein una volta definì «azione spettrale a distanza». Non possono essere descritti in maniera indipendente l’uno dall’altro, nonostante la lontananza esistente tra di loro. Grazie a tale proprietà di intrappolamento, qubit singoli possono essere collegati l’uno all’altro in maniera tale da possedere informazioni circa il resto del registro. Ciò consente ai computer quantici di elaborare i dati simultaneamente piuttosto che sequenzialmente, eseguendo algoritmi in tempo record. Tuttavia, generare intrappolamenti e gestire qubit rappresenta una vera sfida.

In questo contesto si colloca il progetto RYSQ, finanziato dall’UE, che ha fatto grandi passi nel migliorare la comprensione, da parte degli scienziati, di sistemi quantistici a molti corpi. Il progetto si è concluso nel 2018, ma un team di scienziati, sviluppatori di giochi, progettisti e artisti visivi, con sede presso l’Università di Aarhus, partner del progetto, hanno recentemente sviluppato un modo divertente di insegnare la dinamica coinvolta nei sistemi complessi. Il team ritiene che il suo gioco e simulatore, denominato Rydbergator, potrebbe essere vantaggioso per il campo dell’informatica quantistica.

Come funziona?

Il gioco si concentra su atomi che interagiscono tra di loro a una lunga distanza. Come si può vedere sul sito web del team, il gioco utilizza il modello dell’atomo del fisico danese Niels Bohr, in cui gli elettroni al suo interno saltano tra stati diversi. Questi sono noti come stato fondamentale e stato eccitato. Lo stato fondamentale si riferisce al livello di energia occupato normalmente da un elettrone. Per esempio, un elettrone può eccitarsi se riceve energia extra, se assorbe un fotone o un pacchetto di luce oppure collide con un atomo o una particella vicini.

Lo stesso sito web afferma: «Il modello spiega le indagini spettroscopiche dello scienziato svedese Johannes Rydberg e, in particolare, rivela che gli elettroni possono orbitare attorno al nucleo atomico a una grande distanza, proprio come i pianeti più esterni del sistema solare. Tali orbite sono definite come stati di Rydberg, con l’elettrone atomico posizionato su un’orbita che è lontana dal nucleo ionico». Quando ciò succede, persino il movimento di elettroni in altri atomi distanti viene interessato, e da questo derivano schemi complessi di atomi in stato fondamentale ed eccitato all’interno di grandi insiemi atomici.

Il progetto triennale RYSQ (Rydberg Quantum Simulators) è stato istituito per trarre profitto dalla versatilità degli atomi di Rydberg al fine di affrontare una varietà di simulazioni quantistiche. Un video presenta le caratteristiche del gioco e invita chi guarda a esplorarlo e simulare l’eccitazione degli atomi negli stati di Rydberg.

Per maggiori informazioni, consultare: sito web del progetto RYSQ