Trappola ionica per ioni pesanti alla simulazione quantistica

Il primo prototipo si è illuminato. Costruito con un blocco di vetro di silice fusa, si è acceso nel vuoto non appena è stata applicata l'alta tensione a radiofrequenza, segno di una cattiva gestione del calore e dell'elettricità. Abhishek Menon, dottorando alla Rice University e autore di riferimento dello studio, ha definito quel primo fallimento «promettente e istruttivo». La trappola è diventata funzionale solo alla terza generazione.

Gli simulatori a ioni intrappolati tengono fermi una fila di atomi carichi, detti ioni, con campi elettrici all'interno di una trappola ionica. I laser fanno interagire gli ioni in modo da imitare un sistema quantistico scelto dai ricercatori, e l'informazione codificata negli ioni rivela le proprietà di quel sistema. Questo conta per sistemi così complessi che anche i supercomputer più potenti faticano a simularli. Le trappole ioniche si erano a lungo divise in due campi. Le trappole a lamelle offrono prestazioni elevate, ma vengono assemblate a mano, il che limita la precisione geometrica e ne rende difficile la riproduzione. Le trappole su chip microfabbricati sono precise e facili da riprodurre, ma in molti aspetti rendono meno. Le trappole tridimensionali monolitiche puntavano a unire i due approcci, ma fino a oggi potevano lavorare solo con ioni leggeri come il calcio.

Il progetto del team punta a ioni più pesanti, come l'itterbio. I canali per gli ioni e le scanalature per gli elettrodi sono stati incisi nel vetro con laser e sostanze chimiche, poi la trappola è stata rivestita con oro depositato per sputtering. Le scanalature isolano gli elettrodi, impedendo che si cortocircuitino durante il rivestimento e che subiscano una rottura dielettrica, un guasto elettrico, sotto alta tensione nel vuoto. La terza generazione ha aggiunto un migliore dissipatore di calore, ridotto il micromoto assiale degli ioni e usato un trattamento superficiale al plasma per contribuire ad abbassare i tassi di riscaldamento degli ioni. La parte più difficile è stata trovare l'equilibrio tra una spaziatura maggiore tra gli ioni, una tensione bassa e un riscaldamento accettabile, senza perdere le qualità che rendono la trappola utile in laboratorio.

Le trappole sono state testate singolarmente nel laboratorio di Pagano e alla Duke University. Il team ha confermato che funzionavano come previsto e che il loro comportamento corrispondeva alle precedenti simulazioni al computer. Si tratta di misure del team stesso, riportate su Physical Review Applied; il rapporto non cita alcun gruppo indipendente che le abbia ripetute.

I primi beneficiari sono i laboratori accademici. Roman Zhuravel, autore senior e assistant research professor nel laboratorio di Pagano, ha dichiarato che la trappola monolitica rende i simulatori a ioni intrappolati «più accessibili ai laboratori accademici». I ricercatori possono semplificare un problema quantistico difficile in uno risolvibile, per poi riportare il risultato sul problema più grande. Pagano cita come esempio il trasferimento di carica nella fotosintesi. Il rapporto non indica alcuna tempistica per una disponibilità più ampia né un prezzo, e non nomina alcun cliente commerciale; Translume Inc. compare solo come collaboratore.