Dai laptop ai cellulari, la tecnologia odierna avanza grazie alla velocità sempre crescente con cui le cariche elettriche vengono dirette attraverso i circuiti. Allo stesso modo, accelerare il controllo sugli stati quantistici nei sistemi atomici e su scala nanometrica potrebbe portare a passi da gigante per il campo emergente della tecnologia quantistica.

Una collaborazione internazionale tra fisici dell'Università di Chicago, Laboratorio Nazionale Argonne, McGill University, e l'Università di Costanza ha recentemente dimostrato una nuova struttura per un controllo più rapido di un bit quantistico. Pubblicato per la prima volta online il 28 novembre 2016, in Fisica della natura , i loro esperimenti su un singolo elettrone in un chip di diamante potrebbero creare dispositivi quantistici meno soggetti a errori se utilizzati ad alta velocità.

Accelerazione della dinamica quantistica

Per capire il loro esperimento, si può guardare all'impostazione definitiva per la velocità nella dinamica classica:le piste ovali di Indianapolis o Daytona 500. Per consentire alle auto da corsa di percorrere le curve a velocità impressionanti, la pavimentazione della pista è "inclinata" fino a 30 gradi. Uno studente di meccanica newtoniana potrebbe spiegare che questa pendenza verso l'interno del marciapiede consente alla normale forza fornita dalla strada di contribuire ad annullare l'accelerazione centrifuga dell'auto, o la sua tendenza a scivolare verso l'esterno dalla virata. Maggiore è la velocità, maggiore è l'angolo di bank richiesto.

"La dinamica delle particelle quantistiche si comporta in modo analogo, " ha detto Aashish Impiegato, professore di fisica teorica alla McGill University. "Anche se le equazioni del moto sono diverse, per cambiare con precisione lo stato di una particella quantistica ad alta velocità, è necessario progettare la pista giusta per impartire le forze giuste."

Impiegato, insieme ai borsisti post-dottorato della McGill Alexandre Baksic e Hugo Ribeiro, ha formulato una nuova tecnica per consentire una dinamica quantistica più rapida assorbendo abilmente le accelerazioni dannose percepite dalla particella quantistica. Queste accelerazioni, a meno che non sia compensato, devierebbe la particella dalla sua traiettoria prevista nello spazio degli stati quantistici, simile a come l'accelerazione centrifuga devia l'auto da corsa dalla sua linea di corsa prevista in pista.

Attraverso conversazioni con i membri del proprio gruppo e il gruppo dell'impiegato, David Awschalom, professore di spintronica e informazione quantistica presso l'Institute for Molecular Engineering dell'Università di Chicago, si rese conto che la nuova teoria poteva essere utilizzata per accelerare i dispositivi quantistici a base di diamanti nei suoi laboratori. Però, proprio come la costruzione delle superstrade sopraelevate ha presentato sfide nell'ingegneria civile, l'esecuzione sperimentale delle sequenze di controllo previste da Clerk e dai suoi collaboratori ne ha presentate di in ingegneria quantistica.

Costruire il percorso rapido quantistico richiedeva una forma intricata di brillanti, impulsi laser sincronizzati su singoli elettroni intrappolati nei difetti all'interno dei loro frammenti di diamante. Questa impresa sperimentale è stata realizzata dall'autore principale Brian Zhou, lavorando con Christopher Yale, F. Giuseppe Heremans, e Paul Jerger.

"Abbiamo dimostrato che questi nuovi protocolli potrebbero capovolgere lo stato di un bit quantistico, da 'off' a 'on, ' 300% più veloce rispetto ai metodi convenzionali, " disse Awschalom, anche uno scienziato senior presso l'Argonne National Laboratory. "La riduzione di ogni nanosecondo dal tempo di funzionamento è essenziale per ridurre l'impatto della decoerenza quantistica, " Lui ha spiegato, riferendosi al processo mediante il quale l'informazione quantistica viene persa nell'ambiente

Il professor Guido Burkard e Adrian Auer dell'Università di Costanza si sono uniti ai gruppi Awschalom e Clerk per esaminare i dati degli esperimenti. Uno dei maggiori esperti di sistemi quantistici basati sul diamante, Burkard ha osservato, "Ciò che è promettente per la traduzione di queste tecniche oltre il laboratorio è che sono efficaci anche quando il sistema non è perfettamente isolato".

I ricercatori prevedono che i loro metodi possono essere ulteriormente applicati per un controllo rapido e accurato sul movimento fisico degli atomi o sul trasferimento di stati quantistici tra diversi sistemi, e trasmettere vantaggi alle applicazioni quantistiche, come comunicazioni sicure e simulazione di sistemi complessi.