Dal fermione di Majorana al computer quantistico – Intervista a Fausto Intilla

fermioni di Majorana

Ettore Majorana (Wikipedia)

Sono trascorsi ormai circa quattro anni, dall’annuncio della scoperta dei fermioni di Majorana (o per essere più precisi, dalla scoperta di quasiparticelle identificabili, ma solo in termini matematici, con i fermioni di Majorana), da parte di un team di fisici dell’Università di Princeton. A circa due anni fa, risale invece la rilevazione sperimentale del liquido di spin quantistico (uno stato della materia in cui gli elettroni si “frazionalizzano” in fermioni di Majorana), da parte di un gruppo di fisici dell’Oak Ridge National Laboratory, negli Stati Uniti. Ebbene da allora sino ad oggi, sembrerebbe che la ricerca in tal senso, non abbia fatto altri passi degni di nota, verso una possibile applicazione pratica di tali scoperte scientifiche. Ma per capire meglio l’attuale stato dell’arte, ci siamo rivolti al nostro caro amico Fausto Intilla, che da diversi anni ormai, offre al nostro giornale online, occasionalmente, l’opportunità di approfondire alcuni argomenti scientifici, attraverso delle brevi interviste ricche di contenuti e di ottimi spunti di riflessione.

AG: Buongiorno Fausto e bentrovato. Sappiamo che molti laboratori nel mondo, hanno annunciato qualche tempo fa, l’osservazione di particelle “esotiche” dette fermioni di Majorana, in apposite strutture superconduttrici. Le loro spettacolari proprietà topologiche, conferiscono a tali particelle una grande stabilità e dunque, anche delle grandi potenzialità in ambito applicativo. Qual è la tua opinione a tale proposito? Ritieni che siamo davvero ad un punto di svolta? Possiamo attenderci, già nei prossimi anni, le prime applicazioni di tali scoperte in ambito tecnologico?

F.I.: La prima cosa da chiarire, è che sino ad oggi, nessuna particella elementare è stata identificata come fermione di Majorana; ciononostante, la fisica della materia ci offre un terreno alternativo per creare delle quasiparticelle con delle proprietà simili ai fermioni di Majorana. In effetti, le proprietà della materia sono dovute agli elettroni. Ognuna di queste particelle elementari interagisce con gli altri elettroni e con le vibrazioni del reticolo cristallino formato dall’insieme degli atomi di un solido. Di conseguenza, gli elettroni assumono dei comportamenti collettivi. Risulta quindi più comodo descrivere tali comportamenti, come quelli di una quasiparticella emergente, piuttosto che come la somma di una moltitudine di comportamenti individuali degli elettroni. Spesso, queste quasiparticelle hanno delle proprietà simili a quelle degli elettroni da cui emergono. A volte però, esse manifestano delle proprietà assai differenti, come nel caso appunto, delle quasiparticelle di Majorana. Per comprendere l’origine di tali quasiparticelle, occorre però partire dal concetto di antiparticella, nel campo della materia solida. Nei metalli, gli elettroni (che sono dei fermioni), occupano tutti degli stati quantistici differenti; come vuole il principio di esclusione di Pauli. Essi riempiono dunque, tutti gli stati disponibili fino ad una certa energia, chiamata energia di Fermi. Questi elettroni formano ciò che in genere viene definito mare o liquido di Fermi; ed è proprio dalle eccitazioni di questo liquido, che emergono le quasiparticelle. Risulta dunque possibile, in tal caso, distinguere gli elettroni creati sopra il liquido di Fermi e i buchi creati al di sotto di tale liquido. Un buco corrisponde all’assenza di un elettrone e si comporta come un antielettrone, di carica opposta a quella dell’elettrone. Ora, per osservare dei fermioni di Majorana, dobbiamo ricorrere all’utilizzo di materiali superconduttori. In questi materiali, gli elettroni si raggruppano in coppie, a cui occorre fornire un’energia finita per rompere il loro legame ed eccitare le quasiparticelle; che in sostanza sono delle superposizioni di buchi ed elettroni. Al di sotto di questa energia, esiste un gap, ovvero una regione inaccessibile alle  quasiparticelle. La situazione si fa tuttavia ancora più interessante, nel momento in cui le proprietà dei superconduttori variano nello spazio; ad esempio ai bordi di tali materiali. In tal caso, gli stati localizzati possono apparire nel gap. In genere, questi stati appaiono in coppie di energie finite e opposte rispetto all’energia di Fermi. Tuttavia, in alcuni materiali superconduttori, appare un unico stato con un’energia uguale all’energia di Fermi. Si tratta in tal caso di superconduttori topologici, poiché lo stato resta intrappolato (e quindi stabile) a questa energia, fino a quando il gap superconduttore non si chiude. Questa stabilità deriva dalla natura esotica di tale stato; esso è infatti costituito da due quasiparticelle localizzate ai bordi opposti del materiale, come se fosse tagliato in due parti (assumendo una proprietà semi-frazionaria). Ebbene queste quasiparticelle, dal momento che si comportano l’una come l’antiparticella dell’altra, si possono identificare come fermioni di Majorana.

AG: Fin qui, ciò che hai spiegato ci appare tutto molto chiaro ed interessante. Tuttavia, siamo rimasti ancora in ambito prettamente teorico. Cosa puoi dirci in merito alle possibili applicazioni di tale scoperta, in ambito tecnologico?

F.I.: Innanzitutto, occorre tener presente che le quasiparticelle in questione, identificabili come fermioni di Majorana, presentano un carattere semi-frazionario; ciò dona loro delle proprietà ancora più straordinarie rispetto a quelle previste da Ettore Majorana nel 1937, nel suo famoso articolo Teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone. Lo stato in questione, formato da due quasiparticelle di Majorana spazialmente separate, può essere vuoto oppure occupato. Un tale sistema quantistico a due livelli potrebbe formare un bit quantistico, ovvero un qubit; l’elemento base per la codifica dell’informazione in un computer quantistico. Contrariamente a quanto accade per le altre tipologie di qubit realizzabili, nel caso delle quasiparticelle di Majorana, ci troviamo di fronte ad un sistema non-locale, in virtù del fatto che i suoi costituenti si trovano spazialmente separati. Un simile sistema, risulta quindi molto più “forte” e resistente (rispetto ai qubit classici), di fronte alle perturbazioni locali che ne potrebbero cancellare l’informazione; ed è proprio questa “protezione topologica” che renderebbe davvero speciali ed “inattaccabili” tali qubit. L’obiettivo principale, è dunque quello di produrre, osservare e manipolare queste quasiparticelle di Majorana. Il modello più semplice di un sistema in cui esse potrebbero essere realizzate, è stato proposto nel 2001 dal fisico russo-americano Alexei Kitaev. Tale sistema corrisponde ad una catena di elettroni senza gradi di libertà interna. Il fatto però è che oggigiorno, non esiste un materiale conosciuto in grado di rispecchiare un simile modello. Tuttavia, è possibile realizzarlo attraverso la combinazione di diversi materiali.
Come ho accennato poc’anzi, per realizzare sperimentalmente una catena di Kitaev, è necessario che gli elettroni che la costituiscono non abbiano dei gradi di libertà interna. Normalmente, per gli elettroni esistono due spin differenti; dunque è necessario liberarsi di uno dei due elettroni, per avere una sola tipologia di spin. A tale scopo, si potrebbe applicare un forte campo magnetico che privilegi gli elettroni aventi lo spin allineato con il campo in questione. Ma in tal caso, il campo andrebbe ad annullare la superconduttività del materiale utilizzato. Tuttavia, è possibile risolvere il problema rivestendo un nanofilo semiconduttore (come ad esempio l’arseniuro d’indio) con dell’alluminio (un superconduttore utilizzato sovente negli esperimenti a basse temperature). In tal caso, il nanofilo acquisisce dunque le proprietà superconduttrici dell’alluminio, senza tuttavia perdere le proprie caratteristiche fisiche principali. Adottando questa soluzione, gli elettroni si spostano con una velocità che dipende dall’orientamento del loro spin e un debole campo magnetico permette di selezionare un solo orientamento, preservando la superconduttività. In tali condizioni, è possibile rilevare la comparsa di quasiparticelle di Majorana, misurando una corrente a bassa tensione, attraverso un contatto metallico posto all’estremità del campione sperimentale. Contrariamente ai superconduttori tradizionali, dove il gap impedisce il flusso di corrente nel momento in cui si applica una tensione al materiale, la presenza di una quasiparticella di Majorana sul bordo del campione utilizzato, permette il passaggio di corrente in un superconduttore topologico a bassa tensione. La fase successiva, consiste nel manipolare tali quasiparticelle, con delle griglie elettrostatiche e dei flussi magnetici, allo scopo di verificare la loro natura semi-frazionaria.

AG: Forse però a questo punto, occorre chiarire qual è il ruolo che tali quasiparticelle assumono, nel momento in cui debbono rappresentare dei veri e propri sistemi di informazione quantistica; ovvero dei qubit. In sostanza, come si arriva al concetto di computer quantistico, sfruttando i principi che regolano il mondo delle quasiparticelle di Majorana?

F.I.: Ebbene per realizzare un computer quantistico, occorre disporre di un numero molto elevato di qubit; dunque in ultima analisi, di un grande numero di quasiparticelle di Majorana. In tal caso, un solo nanofilo ovviamente non basterebbe; tuttavia, molti altri sistemi e strutture più complesse sono state proposte in ambito sperimentale. Da un punto di vista teorico, l’informazione può essere codificata, sfruttando la possibilità di manipolare e dunque di cambiare la posizione delle quasiparticelle di Majorana. Il punto forte in tutto ciò, ovvero a nostro favore, è che abbiamo a che fare con degli stati quantistici delocalizzati nello spazio; dunque difficilmente intaccabili dal principio di decoerenza.

AG: Puoi spiegarci brevemente a cosa ti riferisci con principio di decorenza?

F.I.: In un modello di “misura”, ciò che produce la riduzione del pacchetto d’onde, è l’interazione del sistema con ciò che gli sta attorno (ad esempio lo stesso “apparecchio di misurazione“). Più generalmente, gli oggetti quantistici non sono mai completamente isolati da ciò che li circonda, dove per “ciò che li circonda“ si intende tutto ciò che interagisce con il sistema (un apparecchio, delle molecole d’aria, dei fotoni, ecc…). Le multiple interazioni tra l’oggetto quantistico e “ciò che lo circonda“, causano una distruzione molto rapida delle interferenze quantistiche del sistema. Le interferenze sono un fenomeno ondulatorio e caratterizzano un comportamento quantistico. La distruzione delle interferenze, comporta a sua volta una soppressione delle superposizioni di stati che caratterizzano l’oggetto quantistico; esso quindi, disponendo unicamente di alcuni stati semplici, assume immediatamente un comportamento classico. In un oggetto macroscopico (un gatto per esempio), ogni suo atomo interagisce con tutti gli altri atomi dell’ambiente che gli sta attorno. Tutte queste interazioni provocano spontaneamente un “ronzio“ di interferenze quantistiche, che spariscono quasi istantaneamente. Ecco perché la fisica quantistica non si applica alla nostra scala: i sistemi non sono mai isolati. Questo fenomeno è stato battezzato “decoerenza“, poiché è la distruzione della coerenza degli stati quantistici che elimina le interferenze. La velocità di decoerenza aumenta con la grandezza del sistema. Un gatto ad esempio, formato da circa 10^27 particelle, “decoerisce“ in 10^-23 secondi. Ciò spiega perché non si sono mai visti dei gatti “morti-viventi“ e infine perché la decoerenza sia così difficile da osservare.

AG: Tornando al concetto di informazione quantistica, nel caso specifico relativo all’eventuale possibilità di utilizzare dei qubit non classici (per la realizzazione di computer quantistici), ovvero dei quibit che emergano da sistemi di quasiparticelle di Majorana, sapresti dirci a che punto è arrivata la ricerca, sino ad oggi?

F.I.: Fino ad oggi purtroppo non sono stati fatti molti passi avanti in tale ambito di ricerca; le nostre attuali conoscenze teoriche e sperimentali, sono praticamente ferme agli ultimi sviluppi scientifici del 2016. Tuttavia, quest’anno (2018), durante il periodo estivo, all’Istituto Quantistico dell’Università di Sherbrooke (in Canada), partirà un progetto di ricerca sulle quasiparticelle di Majorana in circuiti ibridi. L’obiettivo dichiarato è quello di applicare dei nuovi metodi di elettrodinamica quantistica (QED) in circuiti ibridi, allo scopo di rilevare e manipolare dei sistemi di Majorana in dispositivi mesoscopici (in pratica, dei dispositivi a metà strada tra il mondo della meccanica quantistica e quello della fisica newtoniana). Il programma si suddivide in due approcci complementari: il primo, più fondamentale, mira agli effetti Josephson esotici e alla frazionalizzazione sotto l’influenza delle interazioni e della topologia. Il secondo invece, più “pratico”, mira all’identificazione di nuove “firme” di sistemi di Majorana, nell’amplificazione e la compressione della luce quantistica.

AG: Grazie infinite Fausto per la tua preziosa disponibilità e collaborazione, che offri spontaneamente e generosamente al nostro giornale online, da molti anni a questa parte.

F.I: Grazie a voi.

Fausto Intilla – oloscience.com

18.05.2018

 

Dal fermione di Majorana al computer quantistico – Intervista a Fausto Intilla ultima modifica: 2018-05-25T17:51:29+00:00 da Richard
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Noi siamo l'incarnazione locale di un Cosmo cresciuto fino all'autocoscienza. Abbiamo incominciato a comprendere la nostra origine: siamo materia stellare che medita sulle stelle. (Carl Sagan)