Atomi verso lo zero assoluto per una nuova tecnologia quantistica Leonardo Fallani Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Firenze LENS Laboratorio Europeo di Spettroscopia Nonlineare Comunicare e calcolare nel XX secolo Onde elettromagnetiche M. Faraday A. M. Ampere J. C. Maxwell H. Hertz Lo spettro elettromagnetico Le onde radio 1896 Guglielmo Marconi brevetta il telegrafo senza fili 1901 Riesce a trasmettere il primo segnale radio dall'Europa all'America Codice Morse Precursore della comunicazione digitale (bit "classici", 0 o 1) Comunicare con la luce Oggi la maggior parte delle comunicazioni via cavo viene affidata alla trasmissione di segnali di luce in fibre ottiche I primi calcolatori Alan Turing (1912‐1954) Ricostruzione della macchina di Turing (1944) usata per decifrare ENIGMA I primi calcolatori I primi calcolatori Dalle valvole ai transistor La prima generazione di apparati elettronici (radio, calcolatori, etc.) era basata sui tubi a vuoto per amplificare segnali. Tra gli anni '40 e '50 viene scoperto il funzionamento dei semiconduttori e nascono i primi transistor. In breve tempo nascono circuiti integrati con un numero di transitor sempre maggiore Legge di Moore Dal 1970 ad oggi Il numero di transistor che può essere incluso in un circuito integrato è raddoppiato ogni due anni (finora…) Verso limiti quantistici La dimensione dei transistor sta raggiungendo quella di singoli atomi Il numero di elettroni utilizzati per controllare i transistor si sta avvicinando a uno (regime quantistico) Una seconda rivoluzione quantistica 1a rivoluzione quantistica 2a rivoluzione quantistica calcolatore meccanico microprocessore computer quantistico bit classici dispositivo classico bit classici effetti quantistici logica quantistica hardware completamente quantistico "Quantum information is a radical departure in information technology, more fundamentally different from current technology than the digital computer is from the abacus." W. D. Phillips, 1997 Nobel Laureate Il mondo quantistico La fisica del "piccolo" La materia è quantizzata in atomi Unità‐base della materia, costituiti da elettroni, protoni e neutroni Quanti atomi ci sono nel corpo umano? Tanti! 3 x 1027 = 3 000 000 000 000 000 000 000 000 000 = 3 miliardi di miliardi di miliardi!! La fisica del "piccolo" Anche la luce è quantizzata: "particelle di luce", i fotoni Max Planck (1900) Albert Einstein (1905) Quanti fotoni emette una lampadina? 1020 / s = 100 000 000 000 000 000 000 / s = 100 miliardi di miliardi al secondo! La nascita della meccanica quantistica "Quanti" di energia L'energia di un atomo è quantizzata! (Bohr, 1913) Livelli di energia: solo alcune "orbite" sono ammesse … N. Bohr E3 L. De Broglie E2 W. Heisenberg E. Schrödinger E1 Livelli energetici e transizioni assorbimento energia di un fotone ΔE ∆E = h f costante di Planck h = 6.6 10-34 J s Livelli energetici e transizioni assorbimento energia di un fotone ΔE ∆E = h f costante di Planck h = 6.6 10-34 J s Informazione quantistica Lo stato di un sistema quantistico può essere utilizzato per immagazzinare e processare informazione 1 0 bit quantistico qubit La potenza quantistica Ci sono due principi fondamentali della meccanica quantistica che possono essere utilizzati per lo sviluppo di una nuova tecnologia: Principio di sovrapposizione: =α 0 +β 1 =α 0 1 +β Entanglement: 1 0 Principio di sovrapposizione Principio di sovrapposizione: =α 0 +β 1 Un qualsiasi sistema quantistico può trovarsi contemporaneamente in una sovrapposizione di stati. Dopo una misura, il sistema "collassa" in uno dei due stati della sovrapposizione iniziale. Principio di sovrapposizione Principio di sovrapposizione: =α 0 +β 1 Un qualsiasi sistema quantistico può trovarsi contemporaneamente in una sovrapposizione di stati. Dopo una misura, il sistema "collassa" in uno dei due stati della sovrapposizione iniziale. misura 1 probabilità 2 Principio di sovrapposizione Principio di sovrapposizione: =α 0 +β 1 Un qualsiasi sistema quantistico può trovarsi contemporaneamente in una sovrapposizione di stati. Dopo una misura, il sistema "collassa" in uno dei due stati della sovrapposizione iniziale. misura 1 0 probabilità 2 Principio di sovrapposizione Principio di sovrapposizione: =α 0 +β 1 Un qualsiasi sistema quantistico può trovarsi contemporaneamente in una sovrapposizione di stati. Dopo una misura, il sistema "collassa" in uno dei due stati della sovrapposizione iniziale. 1 0 Entanglement Entanglement: a b 0 1 1 0 a b a b Due sistemi quantistici sono ciascuno in uno stato di sovrapposizione, ma sono perfettamente correlati (anche senza una connessione fisica!) Entanglement Entanglement: a b 0 1 1 0 a b a b Due sistemi quantistici sono ciascuno in uno stato di sovrapposizione, ma sono perfettamente correlati (anche senza una connessione fisica!) 1 misura 0 Entanglement Entanglement: a b 0 1 1 0 a b a b Due sistemi quantistici sono ciascuno in uno stato di sovrapposizione, ma sono perfettamente correlati (anche senza una connessione fisica!) 0 misura una spaventosa azione a distanza!?! 1 Tecnologie quantistiche Tecnologie quantistiche Le temperature più basse dell'Universo ‐273.149999999 °C Catturare gli atomi con la luce Raffreddare gli atomi La temperatura è una misura del moto microscopico di agitazione termica Scale di temperatura congelamento H20 ebollizione H20 LHC superficie solare ATOMI ULTRAFREDDI radiazione cosmica di fondo 0 °C = 273.15 K 100 °C = 373.15 K Raffreddare gli atomi con la luce laser laser laser laser N ~ 109 atomi T ~ 1 K !! 5 mm Catturare gli atomi con la luce Atomi al microscopio Dai simulatori ai computer quantistici Simulatori quantistici …un computer quantistico per la Fisica? Molti problemi complessi di Fisica quantistica sono impossibili da risolvere in maniera efficace con algoritmi classici Ad esempio: Fisica dei materiali Fisica delle alte energie Simulatori quantistici …un computer quantistico per la Fisica? Molti problemi complessi di Fisica quantistica sono impossibili da risolvere in maniera efficace con algoritmi classici Simulatori quantistici: computer quantistici dedicati per la soluzione di problemi specifici di meccanica quantistica, impossibili da risolvere su un computer classico R. Feynman Un esempio: la superconduttività Nei normali conduttori, il passaggio di corrente comporta una dissipazione di calore (effetto Joule), quindi una spesa di energia Un superconduttore conduce corrente senza dissipazione, ma ha bisogno di temperature molto basse (intorno a ‐270 °C) Ci sono superconduttori ad "alta" temperatura che funzionano a ‐70 °C. Capire il loro comportamento (o "progettarne" di nuovi) è un problema non ancora risolto a causa dell'elevato grado di complessità. Simulatori quantistici atomi in reticoli ottici elettroni in un solido Soluzione di modelli fisici complessi Nuovi stati della materia Una nuova tecnologia quantistica per lo studio della materia e lo sviluppo di nuovi materiali M. Mancini et al., Science 349, 1510 (2015) Extradimensioni 1D, 2D, 3D… 1 dimensione x moto lungo una linea 2 dimensioni y moto su una superficie x 3 dimensioni moto in tutto lo spazio z y x …4D! Si può creare una quarta dimensione all'interno di ogni atomo! Ogni atomo può presentarsi in tanti stati ("colori") diversi. A ciascuno di essi possiamo associare una posizione lungo una quarta dimensione. spin / colore x1 x2 x3 x4 x5 x6 posizione (extradimensione) Utilizzando luce laser, che cambia il colore degli atomi, possiamo fare in modo che ciascun atomo si possa muovere lungo questa quarta dimensione. Creare un'extradimensione M. Mancini et al., Science 349, 1510 (2015) Vedere l'extradimensione posizione (extradimensione) Gli atomi "colorati" lungo una linea (1D) si comportano come atomi che si muovono su un piano (2D), ad esempio si vedono curvare e rimbalzare sui bordi dell'extradimensione se si applica un campo magnetico (effetto Hall quantistico). posizione (dimensione reale) Verso un computer quantistico Un simulatore quantistico risolve problemi specifici Problemi diversi richiedono macchine diverse Un computer quantistico è una macchina universale in grado di risolvere una moltitudine di problemi diversi… Ammesso di saperlo programmare! Quantum speedup La capacità di un qubit di assumere contemporaneamente i valori 0 e 1 aumenta esponenzialmente la capacità di calcolo di un computer quantistico 0 1 2 21 = 2 stati 1 0 0 0 1 1 0 1 1 22 = 4 stati …. …. …. n qubit corrispondono a 2n stati di n bit La "potenza" delle potenze 264 = 18 446 744 073 709 551 616 in tutta la scacchiera, circa 1000 volte la produzione mondiale di grano nel 2014 La "potenza" delle potenze Per rappresentare con bit classici tutti gli stati assumibili da soli 64 qubit sono necessari quasi 150 exabyte (milioni di gigabyte) di memoria, circa metà di tutta l’informazione globale elaborata tra il 1986 e il 2007 M. Hilbert, P. Lopez, Science (2011) Grazie alla possibilità di creare entanglement tra qubit, un computer quantistico è in grado di elaborare tutti gli stati contemporaneamente Verso il computer quantistico La teoria è già pronta (da decine di anni): logica quantistica I primi prototipi sono già realtà: 5 qubit tutti entangled tra loro perfettamente funzionanti Nature (Agosto 2016) Verso il computer quantistico La teoria è già pronta (da decine di anni): logica quantistica I primi prototipi sono già realtà: 5 qubit tutti entangled tra loro perfettamente funzionanti Nature (Agosto 2016) Atomi per misurare il tempo Come misurare il tempo? Cos'è un orologio? Un oscillatore + un contatore Come misurare il tempo? 5000 a.C. meridiana 1 osc. / giorno 1656 orologio a pendolo 1918 orologio al quarzo 1 osc. / secondo 32.768 osc. / secondo 1955 orologio atomico a microonda 2010 orologio atomico ottico 9.192.631.770 518.295.836.590.863 osc. / secondo osc. / secondo Battere il tempo con gli atomi Battere il tempo con gli atomi 518 295 836 590 863 osc. / secondo Battere il tempo con gli atomi Misurare il tempo = contare le oscillazioni della luce 518 295 836 590 863 osc. / secondo Orologi atomici Precisione degli orologi atomici accuratezza e precisione 10-18!! H. Margolis, Nature Physics 10, 82 (2014) Orologi atomici A cosa servono orologi così precisi? Sistemi di navigazione satellitare GPS Global Positioning System, GALILEO… Più accuratezza ed affidabilità nel posizionamento Definizione di tempo "esatta" es. sincronizzazione di transazioni finanzarie Misure fisiche di precisione "estrema" es. rivelazione onde gravitazionali, materia oscura, variazione delle costanti fisiche fondamentali Conclusioni Tecnologie quantistiche I tempi sono maturi per una nuova tecnologia quantistica Simulatori quantistici Computer quantistici Orologi atomici "esatti" Comunicazioni sicure … Interesse di partner industriali Importanti finanziamenti europei …tanto divertimento!!! Grazie per l'attenzione! [email protected] Leonardo Fallani Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Firenze LENS Laboratorio Europeo di Spettroscopia Nonlineare