Pietra miliare sulla via del computer quantistico:scienziati dell'Università di Costanza, Università di Princeton, e l'Università del Maryland hanno sviluppato una porta quantistica stabile per sistemi a due bit quantistici in silicio. La porta quantistica è in grado di eseguire tutte le operazioni di base necessarie del computer quantistico. Lo spin elettronico dei singoli elettroni nel silicio viene utilizzato come unità di memorizzazione di base ("bit quantici"). I risultati della ricerca sono stati pubblicati prima della stampa in Scienza il 7 dicembre 2017.

Ci vorranno alcuni anni prima della produzione di computer quantistici commerciali. I computer quantistici saranno più efficienti e saranno in grado di risolvere problemi impossibili per i computer attuali. Però, il computer quantistico reagisce in modo molto più sensibile ai disturbi esterni rispetto a una macchina convenzionale. Di conseguenza, un obiettivo primario è creare "porte quantistiche" stabili, il "mattone" di base del computer quantistico. Scienziati dell'Università di Costanza, L'Università di Princeton e l'Università del Maryland sono ora riuscite a creare porte quantistiche stabili per sistemi a due bit quantistici. La loro porta quantistica utilizza singoli elettroni nel silicio per immagazzinare i bit quantistici, e possono controllare e leggere con precisione l'interazione di due bit quantistici. Per di qua, l'esperimento include tutte le necessarie operazioni di base del computer quantistico.

Dall'elettrone al bit quantistico

Proprio come un classico computer digitale utilizza bit con i valori di zero o uno come unità di base per tutti i processi di calcolo, un computer quantistico, utilizza bit quantistici. La differenza è che il bit quantistico non è limitato a due stati (zero e uno), ma può esistere in più stati contemporaneamente, ed è quindi molto più complesso nella sua implementazione rispetto a un semplice sistema digitale. I ricercatori hanno escogitato diverse idee per realizzare tecnicamente un bit quantico, Per esempio, utilizzando ioni o sistemi superconduttori. I ricercatori di Costanza, Princeton e Maryland, però, usa lo spin dell'elettrone, il momento angolare intrinseco di un singolo elettrone, come base dei bit quantistici. Il senso di rotazione dell'elettrone corrisponde ai valori zero e uno del bit digitale, ma nel suo esatto stato quantico, l'elettrone è in grado di contenere più informazioni di un semplice zero o uno.

Un primo risultato dei ricercatori è stato quindi quello di estrarre un singolo elettrone dai miliardi di atomi di un pezzo di silicio. "È stato un risultato straordinario dei nostri colleghi di Princeton, "dice il fisico professor Guido Burkard, che ha coordinato la ricerca teorica a Costanza. I ricercatori hanno utilizzato una combinazione di attrazione e repulsione elettromagnetica per separare un singolo elettrone dal gruppo di elettroni. Gli elettroni separati vengono quindi allineati con precisione e ciascuno è incorporato in una sorta di "cavità, "dove sono tenuti in uno stato fluttuante.

La sfida successiva era sviluppare un sistema per controllare il momento angolare dei singoli elettroni. I fisici di Costanza Guido Burkard e Maximilian Russ hanno sviluppato il seguente metodo:un nanoelettrodo viene applicato a ciascun elettrone. Utilizzando un gradiente di campo magnetico, i fisici possono creare un campo magnetico dipendente dalla posizione con cui accedere ai singoli elettroni, consentendo così ai ricercatori di controllare il momento angolare degli elettroni. Per di qua, hanno creato sistemi stabili a un bit quantico per memorizzare e leggere informazioni sotto forma di spin di elettroni.

Il passo verso il sistema bit a due quanti

Un bit quantico, però, non è sufficiente per generare il sistema di commutazione di base di un computer quantistico. Fare così, sono necessari due bit quantistici. Il passo cruciale compiuto dai ricercatori di Costanza verso il sistema a due bit quantistici è stato quello di collegare gli stati di due elettroni. Tale collegamento consente di costruire sistemi di commutazione di base con cui possono essere eseguite tutte le operazioni di base del computer quantistico. Per esempio, il sistema può essere programmato in modo tale che un elettrone ruoti solo quando il suo elettrone adiacente ha uno spin in una direzione predeterminata.

Ciò significava che i ricercatori di Costanza dovevano creare un sistema stabile per collegare gli spin di due singoli elettroni. "Quella è stata la parte più importante e difficile del nostro lavoro, "dice Guido Burkard, che ha progettato e progettato il metodo insieme al membro del team Maximilian Russ. Hanno sviluppato un sistema di commutazione che coordina il momento angolare di due elettroni in interdipendenza. Un ulteriore nanoelettrodo è posto tra le due "cavità" in cui galleggiano gli elettroni di silicio. Questo elettrodo controlla l'accoppiamento tra i due spin elettronici. Con questo metodo, i fisici hanno realizzato un'unità di elaborazione di base stabile e funzionale di un computer quantistico. Le fedeltà per i singoli bit quantistici sono superiori al 99 percento, e circa l'80% per due bit quantistici interagenti, significativamente più stabili e più precisi rispetto ai tentativi precedenti.

Silicio:un "materiale silenzioso"

Il materiale di base della porta quantistica è il silicio. "Un materiale magneticamente molto silenzioso con solo un basso numero di rotazioni nucleari proprie, "Guido Burkard dice, riassumendo i vantaggi del silicio. È importante che i nuclei atomici del materiale scelto non abbiano troppi spin, questo è, momento angolare intrinseco, che potrebbe interferire con i bit quantistici. Silicio, con circa il cinque per cento, ha un'attività di spin estremamente bassa dei suoi nuclei atomici ed è quindi un materiale particolarmente adatto. Un altro vantaggio:il silicio è il materiale standard della tecnologia dei semiconduttori e di conseguenza ben studiato. Gli scienziati possono quindi beneficiare di molti anni di esperienza con il materiale.