Scienziati dell'Istituto di Fisica e Tecnologia dell'Accademia Russa delle Scienze e del MIPT hanno rilasciato due elettroni in un sistema di punti quantici per creare una cella di memoria del computer quantistico di dimensioni superiori a un qubit (un bit quantistico). Nel loro studio pubblicato in Rapporti scientifici , i ricercatori dimostrano per la prima volta come le passeggiate quantistiche di diversi elettroni possono aiutare a implementare il calcolo quantistico.

"Studiando il sistema con due elettroni, abbiamo risolto i problemi affrontati nel caso generale di due particelle interagenti identiche. Questo apre la strada a strutture quantistiche compatte di alto livello, "dice Leonid Fedichkin, professore associato presso il Dipartimento di Fisica Teorica del MIPT.

In poche ore, un computer quantistico sarebbe in grado di hackerare il sistema crittografico più popolare utilizzato dai browser web. Per quanto riguarda le applicazioni più benevole, un computer quantistico sarebbe in grado di creare modelli molecolari che tengano conto di tutte le interazioni tra le particelle coinvolte. Ciò a sua volta consentirebbe lo sviluppo di celle solari altamente efficienti e nuovi farmaci. Per avere applicazioni pratiche, un computer quantistico deve incorporare centinaia o addirittura migliaia di qubit. Ed è qui che diventa difficile.

Come risulta, la natura instabile della connessione tra qubit rimane il principale ostacolo che impedisce l'uso di passeggiate quantistiche di particelle per il calcolo quantistico. A differenza dei loro analoghi classici, le strutture quantistiche sono estremamente sensibili al rumore esterno. Per evitare che un sistema di più qubit perda le informazioni in esso memorizzate, per il raffreddamento è necessario utilizzare azoto liquido (o elio). Sono stati proposti numerosi schemi per la realizzazione sperimentale di un qubit separato. In uno studio precedente, un gruppo di ricerca guidato dal Prof. Fedichkin ha dimostrato che un qubit potrebbe essere implementato fisicamente come una particella "che fa una passeggiata quantistica" tra due semiconduttori estremamente piccoli noti come punti quantici, che sono collegati da un "tunnel quantistico". Dal punto di vista di un elettrone, i punti quantici rappresentano i potenziali pozzi. Così, la posizione dell'elettrone può essere utilizzata per codificare i due stati base del qubit—|0? e |1?—a seconda che la particella si trovi in ​​un pozzo o nell'altro. Piuttosto che sedersi in uno dei due pozzi, l'elettrone viene spalmato tra i due diversi stati, assumendo una posizione definita solo quando ne vengono misurate le coordinate. In altre parole, è in una sovrapposizione di due stati.

Se viene creato uno stato entangled tra diversi qubit, i loro stati individuali non possono più essere descritti separatamente l'uno dall'altro, e qualsiasi descrizione valida deve fare riferimento allo stato dell'intero sistema. Ciò significa che un sistema di tre qubit ha un totale di otto stati base ed è in una loro sovrapposizione:A|000⟩+B|001⟩+C|010⟩+D|100⟩+E|011⟩+F| 101⟩+G|110⟩+H|111⟩. Influenzando il sistema, uno influenza inevitabilmente tutti gli otto coefficienti, mentre l'influenza su un sistema di bit regolari influisce solo sui loro stati individuali. Di conseguenza, n bit possono memorizzare n variabili, mentre n qubit possono memorizzare 2 ⁿ variabili. Qudits offre un vantaggio ancora maggiore, poiché n qudit a quattro livelli (alias ququart) possono codificare 4 ⁿ , o 2 ⁿ ×2 ⁿ variabili. Per mettere questo in prospettiva, 10 ququart ne immagazzinano circa 100, 000 volte più informazioni di 10 bit. Con valori maggiori di n, gli zeri in questo numero iniziano ad accumularsi molto rapidamente.

In questo studio, Alexey Melnikov e Leonid Fedichkin ottengono un sistema di due qudit implementato come due elettroni entangled che camminano quantisticamente attorno al cosiddetto grafico del ciclo. Per farne uno, gli scienziati hanno dovuto "unire i puntini, "formando un cerchio (ancora una volta, questi sono punti quantici, e sono collegati tramite tunneling quantistico). L'entanglement dei due elettroni è causato dalla reciproca repulsione elettrostatica sperimentata da cariche simili. È possibile creare un sistema di ancora più qudit nello stesso volume di materiale semiconduttore. Per fare questo, è necessario collegare punti quantici in uno schema di percorsi tortuosi e avere più elettroni vaganti. L'approccio delle passeggiate quantistiche al calcolo quantistico è conveniente perché si basa su un processo naturale. Tuttavia, la presenza di due elettroni identici nella stessa struttura era fonte di ulteriori difficoltà rimaste irrisolte.

Il fenomeno dell'entanglement delle particelle svolge un ruolo fondamentale nell'elaborazione dell'informazione quantistica. Però, in esperimenti con particelle identiche, può verificarsi un falso entanglement tra elettroni che non interagiscono, che deve essere distinto dal vero coinvolgimento. Per fare questo, gli scienziati hanno eseguito calcoli matematici per entrambi i casi, cioè., con e senza aggrovigliamento. Hanno osservato la mutevole distribuzione delle probabilità per i casi con sei, otto, 10, e 12 punti, cioè., per un sistema di due qudit con tre, quattro, cinque, e sei livelli ciascuno. Gli scienziati hanno dimostrato che il loro sistema proposto è caratterizzato da un grado di stabilità relativamente elevato.

Finora, gli scienziati non sono stati in grado di collegare un numero sufficiente di qubit per lo sviluppo di un computer quantistico. Il lavoro dei ricercatori russi avvicina l'informatica a un futuro in cui i calcoli quantistici sono all'ordine del giorno. E sebbene ci siano algoritmi che i computer quantistici non potrebbero mai accelerare, altri trarrebbero ancora enormi benefici da dispositivi in ​​grado di sfruttare il potenziale di un gran numero di qubit (o qudit). Questi da soli basterebbero a salvarci un paio di migliaia di anni.