In che modo le informazioni quantistiche possono essere archiviate il più a lungo possibile? Un importante passo avanti nello sviluppo delle memorie quantistiche è stato compiuto da un gruppo di ricerca della TU Wien.

Le memorie convenzionali utilizzate nei computer odierni differenziano solo tra i valori di bit 0 e 1. Nella fisica quantistica, però, sono possibili sovrapposizioni arbitrarie di questi due stati. La maggior parte delle idee per nuovi dispositivi di tecnologia quantistica si basano su questo "principio di sovrapposizione". Una delle principali sfide nell'utilizzo di tali stati è che di solito sono di breve durata. Solo per un breve periodo di tempo le informazioni possono essere lette in modo affidabile dalle memorie quantistiche, dopodiché è irrecuperabile.

Un team di ricerca della TU Wien ha ora compiuto un importante passo avanti nello sviluppo di nuovi concetti di archiviazione quantistica. In collaborazione con il gigante giapponese delle telecomunicazioni NTT, i ricercatori viennesi guidati da Johannes Majer stanno lavorando su memorie quantistiche basate su atomi di azoto e microonde. Gli atomi di azoto hanno proprietà leggermente diverse, che porta rapidamente alla perdita dello stato quantistico. Modificando specificamente una piccola porzione degli atomi, si possono portare gli atomi rimanenti in un nuovo stato quantico, con un miglioramento della durata di oltre un fattore dieci. Questi risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista Fotonica della natura .

Azoto nel diamante

"Utilizziamo diamanti sintetici in cui vengono impiantati singoli atomi di azoto", spiega il capo progetto Johannes Majer dell'Istituto di fisica atomica e subatomica della TU Wien. "Lo stato quantistico di questi atomi di azoto è accoppiato con le microonde, risultando in un sistema quantistico in cui memorizziamo e leggiamo le informazioni".

Però, il tempo di conservazione in questi sistemi è limitato a causa dell'allargamento disomogeneo della transizione a microonde negli atomi di azoto del cristallo di diamante. Dopo circa mezzo microsecondo, lo stato quantico non può più essere letto in modo affidabile, il segnale effettivo viene perso. Johannes Majer e il suo team hanno utilizzato un concetto noto come "bruciatura di fori spettrali", consentire l'archiviazione dei dati nella gamma ottica di supporti disomogeneamente ampliati, e lo ha adattato per circuiti quantistici sovraconduttori e memorie quantistiche di spin.

Dmitry Krimer, Benedikt Hartl e Stefan Rotter (Istituto di fisica teorica, TU Wien) hanno mostrato nel loro lavoro teorico che tali stati, che sono in gran parte disaccoppiati dal rumore molesto, esistono anche in questi sistemi. "Il trucco è manovrare il sistema quantistico in questi stati durevoli attraverso una manipolazione specifica, con l'obiettivo di memorizzare informazioni lì, " spiega Dmitry Krimer.

Escluse energie specifiche

"Le aree di transizione negli atomi di azoto hanno livelli energetici leggermente diversi a causa delle proprietà locali del cristallo di diamante non proprio perfetto", spiega Stefan Putz, il primo autore dello studio, che da allora si è trasferito dalla TU Wien alla Princeton University. "Se usi le microonde per cambiare selettivamente alcuni atomi di azoto che hanno energie molto specifiche, puoi creare un "buco spettrale". I restanti atomi di azoto possono quindi essere portati in un nuovo stato quantico, un cosiddetto "stato oscuro", al centro di questi fori. Questo stato è molto più stabile e apre possibilità completamente nuove".

"Il nostro lavoro è una 'prova di principio':presentiamo un nuovo concetto, dimostra che funziona, e vogliamo gettare le basi per un'ulteriore esplorazione di protocolli operativi innovativi di dati quantistici, " dice Stefan Putz.

Con questo nuovo metodo, la durata degli stati quantistici del sistema accoppiato di microonde e atomi di azoto è aumentata di più di un ordine di grandezza fino a circa cinque microsecondi. Questo non è ancora un granché nello standard della vita quotidiana, ma in questo caso è sufficiente per importanti applicazioni quanto-tecnologiche. "Il vantaggio del nostro sistema è che si possono scrivere e leggere informazioni quantistiche in nanosecondi, " spiega Johannes Majer. "Sono quindi possibili un gran numero di fasi di lavoro in microsecondi, in cui il sistema rimane stabile."