Dark state as a measurable state by a dispersive readout without a Purcell limit

Nel mondo microscopico del calcolo quantistico, l'informazione è memorizzata in stati fragili che possono essere facilmente distrutti dal minimo tocco dell'ambiente circostante. Per leggere questa informazione, gli scienziati devono connettere questi sistemi quantistici al mondo esterno, ma proprio questa connessione crea un pericoloso paradosso. Più forte è il legame utilizzato per misurare il sistema, più velocemente il sistema perde la sua energia e collassa, un fenomeno noto come decadimento. Per anni, i ricercatori hanno creduto di dover scegliere tra un segnale chiaro e forte e uno stato quantistico duraturo; si poteva averne uno, ma non entrambi. Questo compromesso è stato un importante ostacolo nella costruzione di macchine capaci di risolvere problemi complessi senza andare in pezzi.

Un team di ricercatori a Taiwan ha ora trovato un modo per infrangere questa regola. Hanno progettato un minuscolo circuito elettronico contenente due atomi artificiali superconduttori, che fungono da blocchi costruttivi fondamentali di un computer quantistico. Questi atomi sono collegati a un singolo dispositivo di misurazione, ma il team li ha disposti in un modello specifico e simmetrico che crea due tipi distinti di comportamento. Un tipo di comportamento, che chiamano stato "brillante" (bright), interagisce fortemente con il dispositivo di misurazione, permettendo di leggerlo facilmente ma causando una rapida perdita di energia. L'altro tipo, uno stato "oscuro" (dark), è progettato in modo da interagire pochissimo con il dispositivo di misurazione, nascondendosi efficacemente dalla perdita di energia che solitamente distrugge l'informazione quantistica.

La svolta risiede nel modo in cui hanno reso visibile questo stato nascosto. Nonostante lo stato oscuro non comunichi direttamente con il dispositivo di misurazione, i ricercatori hanno scoperto che esso lascia comunque un'impronta nel sistema attraverso una sottile interazione con il suo partner brillante. Misurando lo stato brillante, sono riusciti a rilevare indirettamente la presenza dello stato oscuro con quasi la stessa chiarezza come se interagisse direttamente. Nei loro esperimenti, lo stato oscuro è durato quasi il doppio rispetto allo stato brillante, dimostrando di essere protetto dal rapido decadimento che di solito limita per quanto tempo un bit quantistico possa sopravvivere. Eppure, nonostante questa protezione, lo stato oscuro ha comunque spostato la frequenza del dispositivo di misurazione in un modo che poteva essere chiaramente distinto dallo stato fondamentale.

L'esperimento è stato condotto su un chip microscopico raffreddato a una temperatura appena superiore allo zero assoluto. I ricercatori hanno utilizzato impulsi a microonde per spingere il sistema verso lo stato brillante o quello oscuro. Quando hanno cercato di misurare direttamente lo stato oscuro attraverso la connessione principale, questo è rimasto silenzioso, confermando che era effettivamente schermato dalle solite perdite di energia. Tuttavia, quando hanno osservato come il sistema rispondeva a una sonda delicata, hanno scoperto che lo stato oscuro causava comunque uno spostamento misurabile nella frequenza del risuonatore. Questo spostamento era quasi identico a quello causato dallo stato brillante, dimostrando che l'informazione era presente per essere letta senza la penalità del rapido decadimento.

Questa scoperta suggerisce una nuova strada per il calcolo quantistico. Utilizzando questo "modo oscuro", gli scienziati potrebbero essere in grado di memorizzare le informazioni quantistiche per periodi più lunghi, pur potendo ancora leggerle quando necessario. I ricercatori hanno dimostrato che lo stato oscuro poteva essere preparato e misurato con alta affidabilità, offrendo un modo per mantenere sicuri i dati quantistici dall'ambiente senza renderli invisibili all'osservatore. Questo approccio potrebbe essere particolarmente utile per rilevare e correggere gli errori nei futuri computer quantistici, dove preservare lo stato dell'informazione è importante tanto quanto leggerla. Il lavoro dimostra che, disponendo con cura le connessioni tra i componenti quantistici, è possibile avere il meglio di entrambi i mondi: uno stato che sia sia longevo che misurabile.