In un passo che avvicina i computer quantistici basati sul silicio alla realtà, i ricercatori della Princeton University hanno costruito un dispositivo in cui un singolo elettrone può trasmettere le sue informazioni quantistiche a una particella di luce. La particella di luce, o fotone, può quindi fungere da messaggero per portare l'informazione ad altri elettroni, creare connessioni che formano i circuiti di un computer quantistico.

La ricerca, pubblicato sulla rivista Scienza e condotto presso i laboratori Princeton e HRL di Malibu, California, rappresenta uno sforzo di oltre cinque anni per costruire una solida capacità per un elettrone di parlare con un fotone, disse Jason Petta, un professore di fisica di Princeton.

"Proprio come nelle interazioni umane, per avere una buona comunicazione un certo numero di cose devono essere risolte:aiuta a parlare la stessa lingua e così via, " disse Petta. "Siamo in grado di portare l'energia dello stato elettronico in risonanza con la particella di luce, in modo che i due possano parlare tra loro."

La scoperta aiuterà i ricercatori a utilizzare la luce per collegare i singoli elettroni, che fungono da bit, o più piccole unità di dati, in un computer quantistico. I computer quantistici sono dispositivi avanzati che, quando realizzato, sarà in grado di eseguire calcoli avanzati utilizzando minuscole particelle come elettroni, che seguono regole quantistiche piuttosto che le leggi fisiche del mondo quotidiano.

Ogni bit in un computer di tutti i giorni può avere un valore 0 o 1. I bit quantistici, noti come qubit, possono essere in uno stato di 0, 1, o entrambi uno 0 e un 1 contemporaneamente. Questa sovrapposizione, come è noto, consente ai computer quantistici di affrontare questioni complesse che i computer di oggi non possono risolvere.

Sono già stati realizzati semplici computer quantistici utilizzando ioni intrappolati e superconduttori, ma le sfide tecniche hanno rallentato lo sviluppo di dispositivi quantistici a base di silicio. Il silicio è un materiale molto attraente perché è poco costoso ed è già ampiamente utilizzato negli smartphone e nei computer di oggi.

I ricercatori hanno intrappolato sia un elettrone che un fotone nel dispositivo, quindi ha regolato l'energia dell'elettrone in modo tale che l'informazione quantistica potesse trasferirsi al fotone. Questo accoppiamento consente al fotone di trasportare l'informazione da un qubit a un altro situato fino a un centimetro di distanza.

Le informazioni quantistiche sono estremamente fragili:possono essere completamente perse a causa del minimo disturbo dall'ambiente. I fotoni sono più robusti contro le interruzioni e possono potenzialmente trasportare informazioni quantistiche non solo da qubit a qubit in un circuito di computer quantistico, ma anche tra chip quantistici tramite cavi.

Affinché questi due tipi molto diversi di particelle parlino tra loro, però, i ricercatori hanno dovuto costruire un dispositivo che fornisse l'ambiente giusto. Primo, Peter Deelman presso i laboratori HRL, un laboratorio di ricerca e sviluppo aziendale di proprietà di Boeing Company e General Motors, fabbricato il chip semiconduttore da strati di silicio e silicio-germanio. Questa struttura ha intrappolato un singolo strato di elettroni sotto la superficie del chip. Prossimo, i ricercatori di Princeton hanno posato piccoli fili, ciascuno solo una frazione della larghezza di un capello umano, nella parte superiore del dispositivo. Questi fili di dimensioni nanometriche hanno permesso ai ricercatori di fornire tensioni che hanno creato un panorama energetico in grado di intrappolare un singolo elettrone, confinandolo in una regione del silicio chiamata doppio punto quantico.

I ricercatori hanno usato quegli stessi fili per regolare il livello di energia dell'elettrone intrappolato in modo che corrisponda a quello del fotone, che è intrappolato in una cavità superconduttiva che è fabbricata sopra il wafer di silicio.

Prima di questa scoperta, i qubit a semiconduttore potevano essere accoppiati solo a qubit vicini. Usando la luce per accoppiare i qubit, potrebbe essere possibile passare informazioni tra qubit alle estremità opposte di un chip.

L'informazione quantistica dell'elettrone non è altro che la posizione dell'elettrone in una delle due sacche di energia nel doppio punto quantico. L'elettrone può occupare l'una o l'altra tasca, o entrambi contemporaneamente. Controllando le tensioni applicate al dispositivo, i ricercatori possono controllare quale tasca occupa l'elettrone.

"Ora abbiamo la capacità di trasmettere effettivamente lo stato quantistico a un fotone confinato nella cavità, " ha detto Xiao Mi, uno studente laureato presso il Dipartimento di Fisica di Princeton e primo autore della carta. "Questo non è mai stato fatto prima in un dispositivo a semiconduttore perché lo stato quantico è stato perso prima che potesse trasferire le sue informazioni".

Il successo del dispositivo è dovuto a un nuovo design del circuito che avvicina i fili al qubit e riduce le interferenze da altre fonti di radiazioni elettromagnetiche. Per ridurre questo rumore, i ricercatori hanno inserito filtri che rimuovono i segnali estranei dai fili che portano al dispositivo. I fili metallici schermano anche il qubit. Di conseguenza, i qubit sono da 100 a 1000 volte meno rumorosi di quelli utilizzati negli esperimenti precedenti.

Alla fine i ricercatori hanno in programma di estendere il dispositivo affinché funzioni con una proprietà intrinseca dell'elettrone nota come spin. "A lungo termine vogliamo sistemi in cui spin e carica siano accoppiati insieme per creare un qubit di spin che può essere controllato elettricamente, " disse Petta. "Abbiamo dimostrato che possiamo accoppiare coerentemente un elettrone alla luce, e questo è un passo importante verso l'accoppiamento della rotazione con la luce."

David Di Vincenzo, un fisico presso l'Institute for Quantum Information della RWTH Aachen University in Germania, chi non è stato coinvolto nella ricerca, è l'autore di un influente articolo del 1996 che delinea cinque requisiti minimi necessari per la creazione di un computer quantistico. Del lavoro Princeton-HRL, in cui non era coinvolto, DiVincenzo ha dichiarato:"È stata una lunga lotta per trovare la giusta combinazione di condizioni che avrebbe raggiunto la forte condizione di accoppiamento per un qubit a singolo elettrone. Sono felice di vedere che è stata trovata una regione dello spazio dei parametri in cui il sistema può andare per la prima volta in un territorio di forte accoppiamento."