Programming anharmonic potentials in a superconducting harmonic oscillator

Nel mondo quantistico, i blocchi fondamentali della materia si comportano spesso come molle perfette. Quando un atomo vibra o una molecola oscilla, segue frequentemente un ritmo semplice e prevedibile noto come oscillazione armonica. Questo comportamento è così affidabile che gli scienziati hanno costruito interi computer quantistici attorno ad esso, utilizzando questi sistemi vibranti come una base stabile per l'elaborazione delle informazioni. Tuttavia, il vero universo è raramente così semplice. Le reazioni chimiche, il modo in cui le molecole si scompongono e le complesse interazioni che guidano la vita stessa sono governate da forze che non seguono una molla perfetta. Queste forze sono "anarmoniche", il che significa che cambiano il loro comportamento a seconda di quanto vengono tese o compresse. Per simulare questi processi del mondo reale su un computer quantistico, i ricercatori devono essere in grado di creare queste forze complesse e non lineari su richiesta. Fino ad ora, l'ingegnerizzazione di tali forze specifiche e su misura è stata un ostacolo significativo, richiedendo spesso hardware unici per ogni singola nuova attività.

Un team di ricercatori ha ora dimostrato un metodo flessibile per programmare queste forze complesse direttamente in un dispositivo quantistico superconduttore. Hanno lavorato con un oscillatore armonico quantistico, un dispositivo che vibra naturalmente come una molla perfetta, e lo hanno connesso a un piccolo atomo artificiale chiamato qubit transmon. Controllando attentamente l'interazione tra i due, hanno creato un sistema capace di agire come uno strumento universale per dare forma alle forze quantistiche. Invece di costruire una nuova macchina per ogni nuovo tipo di vibrazione che volevano studiare, hanno sviluppato un circuito singolo e riconfigurabile. Questo circuito funziona intercalando rotazioni rapide dell'atomo artificiale con spostamenti precisi della posizione dell'oscillatore. Semplicemente cambiando gli angoli delle rotazioni, i ricercatori potevano programmare il dispositivo per imitare una vasta gamma di potenziali complessi, dicendo efficacementmente all'oscillatore di comportarsi come se fosse intrappolato in un paesaggio energetico progettato su misura.

Il team ha testato prima il proprio metodo creando un gate di fase cubica, un tipo specifico di forza che è essenziale per eseguire computazioni quantistiche universali. Hanno programmato il dispositivo per applicare una forza che cresce più forte quanto più l'oscillatore si allontana dal suo centro, un comportamento impossibile per una molla standard. Per verificare il successo, hanno utilizzato una tecnica chiamata ricostruzione della forza puntuale (pointwise force reconstruction). Hanno inviato una serie di sonde dolci e ben definite attraverso il sistema e hanno misurato quanto cambiasse il momento dell'oscillatore. Mappando questi cambiamenti, sono stati in grado di ricostruire la forma della forza applicata dal dispositivo. I risultati hanno mostrato che il dispositivo aveva creato con successo la forma cubica prevista, con la forza misurata che corrispondeva al target programmato entro un margine di errore molto piccolo. Gli stati quantistici prodotti da questo gate erano altamente complessi e non standard, confermando che il dispositivo aveva generato con successo le risorse non-gaussiane necessarie per l'elaborazione avanzata delle informazioni quantistiche.

Costruendo su questo successo, i ricercatori hanno progettato una famiglia di potenziali a doppia buca (double-well potentials). Questi sono paesaggi energetici che appaiono come una valle con due avvallamenti separati da una collina, una forma cruciale per comprendere come le particelle attraversino le barriere per effetto tunnel o come i legami chimici si rompano e si riformino. Hanno programmato il dispositivo per creare un potenziale a doppia buca perfettamente simmetrico, dove entrambi gli avvallamenti sono identici, e poi hanno modificato le impostazioni per creare una versione asimmetrica dove un avvallamento è più profondo dell'altro. Hanno anche creato una versione "rotta" dove la collina è scomparsa del tutto, lasciando solo un unico pendio. In ogni caso, la ricostruzione del profilo della forza mostrava chiaramente la forma prevista. Per la versione simmetrica, la forza era perfettamente bilanciata; per quella asimmetrica, l'equilibrio era stato spostato esattamente come programmato; e per la versione rotta, la struttura caratteristica a doppia buca era svanita. Ciò ha dimostrato che il sistema poteva non solo creare forme complesse, ma anche essere sintonizzato con alta precisione per alterarne la simmetria.

Infine, il team ha affrontato uno degli obiettivi più impegnativi: il potenziale di Morse. Questo è un tipo specifico di forza che descrive come gli atomi in una molecola vibrano e infine si separano, caratterizzato da una parete ripida su un lato e da una pendenza dolce e appiattente sull'altro. Questa forma è fondamentalmente diversa dai potenziali polinomiali creati in precedenza, poiché coinvolge una curva esponenziale. I ricercatori hanno programmato il dispositivo per approssimare questo potenziale. Sebbene la ricostruzione mostrasse la forma generale, la parete ripida e netta del potenziale di Morse non era completamente risolta. I ricercatori hanno identificato che questa limitazione non era dovuta a un difetto nella loro programmazione, ma piuttosto a una conseguenza del metodo di misurazione stesso. Le sonde che hanno utilizzato avevano una larghezza finita, il che ha smussato i dettagli più nitidi della forza, proprio come una lente leggermente sfocata non può catturare il bordo più fine di una fotografia.

Attraverso le simulazioni, il team ha dimostrato che se avessero utilizzato un tipo diverso di sonda — una che fosse "squeezed" (comprimuta) per essere molto più stretta in posizione — la parete netta del potenziale di Morse sarebbe stata recuperata con alta fedeltà. Questa scoperta ha fornito una chiara strada da seguire: l'hardware è capace di svolgere il compito, e la limitazione rimanente è semplicemente una questione di utilizzo di uno strumento di misurazione più preciso, che è già disponibile in configurazioni sperimentali simili. Il lavoro stabilisce una via pratica e riconfigurabile per programmare potenziali anarmonici. Variando solo un insieme di angoli di rotazione, i ricercatori possono passare dalla creazione di forze cubiche, trappole a doppia buca e modelli di vibrazione molecolare sullo stesso pezzo di hardware. Questa capacità apre la porta alla simulazione di dinamiche molecolari complesse e reazioni chimiche con un livello di dettaglio precedentemente fuori portata, avvicinando la simulazione quantistica alla realtà del mondo fisico.