I ricercatori hanno dimostrato la capacità di controllare con precisione il comportamento di due bit quantistici a base di silicio, o qubit, aprendo la strada alla complessità, dispositivi multi-qubit che utilizzano una tecnologia meno costosa e più facile da produrre rispetto ad altri approcci. Credito:David Zajac, università di Princeton
In un passo importante verso la realizzazione di un computer quantistico utilizzando materiali di uso quotidiano, un team guidato da ricercatori dell'Università di Princeton ha costruito un pezzo chiave di hardware in silicio in grado di controllare il comportamento quantistico tra due elettroni con una precisione estremamente elevata. Lo studio è stato pubblicato il 7 dicembre sulla rivista Scienza .
Il team ha costruito un cancello che controlla le interazioni tra gli elettroni in un modo che consente loro di agire come bit quantistici di informazione, o qubit, necessario per il calcolo quantistico. La dimostrazione di questo quasi privo di errori, il gate a due qubit è un importante passo iniziale nella costruzione di un dispositivo di calcolo quantistico più complesso dal silicio, lo stesso materiale utilizzato nei computer e negli smartphone convenzionali.
"Sapevamo di dover far funzionare questo esperimento se la tecnologia basata sul silicio avrebbe avuto un futuro in termini di scalabilità e costruzione di un computer quantistico, " ha detto Jason Petta, professore di fisica alla Princeton University. "La creazione di questo cancello a due qubit ad alta fedeltà apre le porte a esperimenti su larga scala".
È probabile che i dispositivi a base di silicio siano meno costosi e più facili da produrre rispetto ad altre tecnologie per realizzare un computer quantistico. Sebbene altri gruppi di ricerca e aziende abbiano annunciato dispositivi quantistici contenenti 50 o più qubit, questi sistemi richiedono materiali esotici come superconduttori o atomi carichi tenuti in posizione da laser.
I computer quantistici possono risolvere problemi inaccessibili con i computer convenzionali. I dispositivi possono essere in grado di scomporre numeri estremamente grandi o di trovare le soluzioni ottimali per problemi complessi. Potrebbero anche aiutare i ricercatori a comprendere le proprietà fisiche di particelle estremamente piccole come atomi e molecole, portando a progressi in aree come la scienza dei materiali e la scoperta di farmaci.
La costruzione di un computer quantistico richiede ai ricercatori di creare qubit e accoppiarli tra loro con alta fedeltà. I dispositivi quantistici a base di silicio utilizzano una proprietà quantistica degli elettroni chiamata "spin" per codificare le informazioni. Lo spin può puntare verso l'alto o verso il basso in modo analogo ai poli nord e sud di un magnete. In contrasto, i computer convenzionali funzionano manipolando la carica negativa dell'elettrone.
Raggiungere un rendimento elevato, il dispositivo quantistico basato sullo spin è stato ostacolato dalla fragilità degli stati di spin:si spostano facilmente dall'alto verso il basso o viceversa, a meno che non possano essere isolati in un ambiente molto puro. Costruendo i dispositivi quantistici di silicio nel Quantum Device Nanofabrication Laboratory di Princeton, i ricercatori sono stati in grado di mantenere coerenti gli spin, ovvero nei loro stati quantistici, per periodi di tempo relativamente lunghi.
Il gate a due qubit a base di silicio è costituito da due elettroni (sfere blu con frecce) in uno strato di silicio (Si). Applicando tensioni attraverso fili di ossido di alluminio (Al2O3) (rosso e verde), i ricercatori hanno intrappolato gli elettroni e persuaso i comportamenti quantistici che trasformano le loro proprietà di spin in bit quantistici di informazioni, o qubit. L'immagine a sinistra mostra una micrografia elettronica a scansione del dispositivo, che è di circa 200 nanometri (nm) di diametro. L'immagine a destra è un diagramma del dispositivo dal lato. Credito: Scienza /AAAS
Per costruire la porta a due qubit, i ricercatori hanno stratificato minuscoli fili di alluminio su un cristallo di silicio altamente ordinato. I fili forniscono tensioni che intrappolano due singoli elettroni, separato da una barriera energetica, in una struttura a pozzetto chiamata doppio punto quantico.
Abbassando temporaneamente la barriera energetica, i ricercatori consentono agli elettroni di condividere informazioni quantistiche, creando uno stato quantico speciale chiamato entanglement. Questi elettroni intrappolati ed entangled sono ora pronti per l'uso come qubit, che sono come i normali bit di computer ma con superpoteri:mentre un bit convenzionale può rappresentare uno zero o un 1, ogni qubit può essere contemporaneamente uno zero e un 1, ampliando notevolmente il numero di possibili permutazioni confrontabili istantaneamente.
"La sfida è che è molto difficile costruire strutture artificiali abbastanza piccole da intrappolare e controllare singoli elettroni senza distruggere i loro lunghi tempi di conservazione, "ha detto David Zajac, uno studente laureato in fisica a Princeton e primo autore dello studio. "Questa è la prima dimostrazione di entanglement tra due spin di elettroni nel silicio, un materiale noto per fornire uno degli ambienti più puliti per gli stati di spin degli elettroni."
I ricercatori hanno dimostrato di poter utilizzare il primo qubit per controllare il secondo qubit, a significare che la struttura funzionava come una porta NOT controllata (CNOT), che è la versione quantistica di un componente del circuito del computer comunemente usato. I ricercatori controllano il comportamento del primo qubit applicando un campo magnetico. Il gate produce un risultato basato sullo stato del primo qubit:se il primo spin è puntato verso l'alto, quindi la rotazione del secondo qubit si capovolgerà, ma se il primo giro è andato a vuoto, il secondo non si capovolgerà.
"Il cancello sta sostanzialmente dicendo che farà qualcosa a una particella solo se l'altra particella è in una certa configurazione, " disse Petta. "Ciò che accade a una particella dipende dall'altra particella".
I ricercatori hanno dimostrato di poter mantenere gli spin degli elettroni nei loro stati quantistici con una fedeltà superiore al 99 percento e che il gate funziona in modo affidabile per capovolgere lo spin del secondo qubit circa il 75 percento delle volte. La tecnologia ha il potenziale per scalare a più qubit con tassi di errore ancora più bassi, secondo i ricercatori.
"Questo lavoro si distingue in una corsa mondiale per dimostrare il cancello CNOT, un elemento fondamentale per il calcolo quantistico, in qubit a base di silicio, " ha detto HongWen Jiang, professore di fisica e astronomia all'Università della California-Los Angeles. "Il tasso di errore per l'operazione a due qubit è valutato senza ambiguità. È particolarmente impressionante che questo esperimento straordinariamente difficile, che richiede una fabbricazione di dispositivi sofisticati e uno squisito controllo degli stati quantistici, viene fatto in un laboratorio universitario composto solo da pochi ricercatori."
