Durante la loro ricerca per un nuovo articolo sull'informatica quantistica, Hong Wen Jiang, un professore di fisica dell'UCLA, e Joshua Schoenfield, uno studente laureato nel suo laboratorio, si sono imbattuti in un problema ricorrente:erano così entusiasti dei progressi che stavano facendo che quando hanno effettuato l'accesso da casa al desktop della UCLA, che consente solo un utente alla volta, i due scienziati si sono ripetutamente staccati dalla connessione remota.

Il motivo del loro entusiasmo:Jiang e il suo team hanno creato un modo per misurare e controllare le differenze di energia degli stati della valle degli elettroni nei punti quantici di silicio, che sono una componente chiave della ricerca sull'informatica quantistica. La tecnica potrebbe avvicinare l'informatica quantistica alla realtà.

"È così eccitante, " disse Jiang, un membro del California NanoSystems Institute. "Non volevamo aspettare fino al giorno successivo per scoprire l'esito".

L'informatica quantistica potrebbe consentire la codifica di informazioni più complesse su chip di computer molto più piccoli, e promette di essere più veloce, risoluzione dei problemi e comunicazioni più sicure di quelle consentite dai computer di oggi.

Nei computer standard, i componenti fondamentali sono interruttori chiamati bit, che usano 0 e 1 per indicare che sono spenti o accesi. Gli elementi costitutivi dei computer quantistici, d'altra parte, sono bit quantici, o qubit.

La svolta dei ricercatori dell'UCLA è stata la capacità di misurare e controllare uno stato specifico di un punto quantico di silicio, noto come stato della valle, una proprietà essenziale dei qubit. La ricerca è stata pubblicata su Comunicazioni sulla natura .

"Un singolo qubit può esistere in una complessa miscela ondulatoria dello stato 0 e dello stato 1 allo stesso tempo, " ha detto Schoenfield, il primo autore dell'articolo. "Per risolvere i problemi, i qubit devono interferire tra loro come le increspature in uno stagno. Quindi controllare ogni aspetto della loro natura ondulatoria è essenziale".

I punti quantici di silicio sono piccoli, regioni di silicio elettricamente confinate, solo decine di nanometri di diametro, che possono intrappolare gli elettroni. Sono studiati dal laboratorio di Jiang, e dai ricercatori di tutto il mondo, per il loro possibile utilizzo nell'informatica quantistica perché consentono agli scienziati di manipolare la rotazione e la carica degli elettroni.

Oltre allo spin e alla carica degli elettroni, un'altra delle loro proprietà più importanti è il loro "stato di valle, " che specifica dove si depositerà un elettrone nel panorama energetico non piatto della struttura cristallina del silicio. Lo stato di valle rappresenta una posizione nel momento dell'elettrone, rispetto a un luogo fisico reale.

Gli scienziati si sono resi conto solo di recente che il controllo degli stati della valle è fondamentale per la codifica e l'analisi dei qubit a base di silicio, perché anche le più piccole imperfezioni in un cristallo di silicio possono alterare le energie della valle in modi imprevedibili.

"Immagina di stare in cima a una montagna e guardare in basso a sinistra e a destra, notando che le valli su entrambi i lati sembrano essere le stesse ma sapendo che una valle era solo 1 centimetro più profonda dell'altra, "ha detto Blake Freeman, uno studente laureato UCLA e coautore dello studio. "Nella fisica quantistica, anche quella piccola differenza è estremamente importante per la nostra capacità di controllare lo spin e gli stati di carica degli elettroni".

A temperature normali, gli elettroni rimbalzano, rendendo loro difficile riposare nel punto energetico più basso della valle. Quindi, per misurare la piccola differenza di energia tra due stati di valle, i ricercatori dell'UCLA hanno posizionato punti quantici di silicio all'interno di una camera di raffreddamento a una temperatura vicina allo zero assoluto, che ha permesso agli elettroni di stabilizzarsi. Lanciando rapidi impulsi elettrici di tensione attraverso di essi, gli scienziati sono stati in grado di spostare singoli elettroni dentro e fuori le valli. La piccola differenza di energia tra le valli è stata determinata osservando la velocità del rapido passaggio dell'elettrone tra gli stati di valle.

Dopo aver manipolato gli elettroni, i ricercatori hanno eseguito un sensore a nanofili molto vicino agli elettroni. Misurare la resistenza del filo ha permesso loro di misurare la distanza tra un elettrone e il filo, che a sua volta ha permesso loro di determinare quale valle occupava l'elettrone.

La tecnica ha anche permesso agli scienziati, per la prima volta, per misurare la differenza di energia estremamente piccola tra le due valli, che era stata impossibile usando qualsiasi altro metodo esistente.

Nel futuro, i ricercatori sperano di utilizzare impulsi di tensione e progetti di dispositivi più sofisticati per ottenere il pieno controllo su più qubit basati sulla valle interagenti.

"Il sogno è avere una serie di centinaia o migliaia di qubit che lavorano tutti insieme per risolvere un problema difficile, " ha detto Schoenfield. "Questo lavoro è un passo importante verso la realizzazione di quel sogno".