Ricercatori lungo il percorso verso il qubit quantistico “perfetto”.

I computer quantistici sono in grado di risolvere calcoli molto complessi in tempi record, e quindi possono far avanzare la ricerca in molti settori (crittografia, intelligenza artificialefisica delle particelle, ecc.). Ma finora, pochi computer quantistici sono soggetti a errori e inadatti alle applicazioni pratiche. Quindi gli scienziati stanno ancora cercando di trovare la migliore architettura qubit per aggirare questi problemi. Un team dell’Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti potrebbe essere in arrivo.

Mentre i computer classici si basano su bit di 0 o 1, un computer quantistico utilizza qubit, che possono essere 0 e 1 contemporaneamente, grazie alla sovrapposizione quantistica, spingendo i limiti del calcolo standard. Diversi progetti in corso stanno cercando di costruire e preservare qubit praticabili per tenerli insieme in un circuito quantistico. Le Quantum System One, il computer quantistico IBM che ha aperto lo scorso anno, si basa, ad esempio, su circuiti superconduttori (questo è anche l’approccio che ha scelto Google). Altri usano qubit ottici o ioni intrappolati usando campi elettromagnetici.

I ricercatori dell’Argonne National Laboratory stanno ora introducendo un nuovo approccio, che secondo loro potrebbe portare a “qubit perfetti”. Hanno sviluppato una nuova piattaforma per qubit, basata su Elettroni Singolo isolato, intrappolato su una superficie al neon solida ad alta purezza nel vuoto. I ricercatori hanno congelato il gas neon a una temperatura molto bassa, quindi hanno spruzzato elettroni dal filamento di una lampadina sul solido, intrappolandone infine un pezzo. elettrone. Questo sistema promettente potrebbe essere sviluppato in mattoni ideali per i computer quantistici del futuro.

Gas inerte per ridurre la turbolenza

Per realizzare un utile computer quantistico, i requisiti di qualità per i qubit sono molto elevati. Innanzitutto, un “qubit ideale” deve poter rimanere in uno stato sincrono (0 e 1) per molto tempo (dell’ordine di un secondo), che gli scienziati chiamano coerenza. Quindi, il qubit dovrebbe essere in grado di passare da uno stato all’altro in un periodo di tempo molto breve, dell’ordine di nanosecondi. Infine, questo qubit deve essere in grado di comunicare con molti altri qubit in modo che possano funzionare in parallelo, ciò che viene definito entanglement o entanglement quantistico.

La difficoltà principale risiede nel fatto che i qubit sono molto sensibili ai disturbi nel loro ambiente. Quindi il team del laboratorio Argonne ha scelto di intrappolare un elettrone su una superficie di neon solido di elevata purezza nel vuoto: il neon è un gas inerte. ” A causa di questa inerzia, il solido al neon può essere il solido più pulito possibile nel vuoto per assorbire e proteggere i qubit dai disturbi. “,” Davi Jin ha spiegatoricercatore presso il Center for Nanomaterials e coautore dello studio che presenta la piattaforma.

Si noti che la ricerca precedente prevedeva un mezzo liquido a base di elio per intrappolare gli elettroni, ma le vibrazioni superficiali del fluido possono facilmente disturbare lo stato degli elettroni e quindi compromettere le prestazioni dei qubit. La solida superficie al neon si rivela più anti-interferenza.

Il team osserva che un altro componente chiave della loro piattaforma qubit, essenziale per concepire un uso pratico del sistema, è un risonatore superconduttore su chip (paragonabile a un piccolo forno a microonde): questo risonatore è in realtà destinato a manipolare elettroni intrappolati, soprattutto per leggere lo stato del qubit. ” Focalizza l’interazione tra il qubit e il segnale a microonde. Questo ci permette di effettuare misurazioni che indicano il corretto funzionamento del qubit afferma Cater Morch, professore di fisica alla Washington University di St. Louis e co-autore principale dell’articolo.

Prestazioni all’avanguardia

I ricercatori riferiscono che per la prima volta sono stati in grado di ottenere un forte accoppiamento tra un elettrone isolato in un ambiente quasi vuoto e una singola immagine a microonde nel risonatore. Questo risultato suggerisce che potrebbe essere possibile utilizzare i fotoni a microonde per controllare ogni qubit elettronico e collegarne molti insieme in un processore quantistico.

Il team ha testato la loro piattaforma in uno strumento chiamato frigorifero di diluizione, che è uno strumento refrigerato che può raggiungere una temperatura vicina allo zero assoluto. Sono state eseguite operazioni in tempo reale su un qubit elettronico per caratterizzarne le proprietà quantistiche: i ricercatori riportano un tempo di rilassamento energetico di 15 microsecondi e un tempo di coerenza di fase di 200 nanosecondi.

Certo, a causa delle condizioni di temperatura necessarie, siamo ancora lontani dalla reale applicazione pratica del dispositivo, ma i valori ottenuti in termini di coerenza sono già abbastanza onorevoli rispetto ai qubit sviluppati tramite altri approcci. ” Questi risultati indicano che il qubit di elettrone solido del neon ha effettivamente una prestazione quasi sviluppata del qubit carico. ‘, notano i ricercatori a temperare la natura.

Questi test hanno dimostrato che il neon solido fornisce un ambiente forte per l’elettrone, con pochissimo rumore elettrico per disturbarlo. Ma questi sono solo test preliminari e il team sta ora pianificando di migliorare la propria piattaforma per migliorare ulteriormente i tempi di coerenza. Inoltre, sperano di espanderlo rapidamente in diversi qubit aggrovigliati. Anche se affermano che il loro obiettivo non è quello di competere con aziende come Google o IBM in questo settore, ritengono che la loro tecnologia possa essere promettente.

Non solo questo nuovo approccio sembra produrre qubit affidabili e durevoli, ma ha un altro importante vantaggio: la semplicità del suo design dovrebbe ridurre i costi di produzione. ” Sembra che il qubit perfetto possa essere all’orizzonte Giovanna conclude.

fonte : X. Zhou et al., Natura