Un dispositivo di calcolo quantistico basato sul silicio potrebbe essere più vicino che mai grazie a un nuovo dispositivo sperimentale che dimostra il potenziale di utilizzare la luce come messaggero per collegare bit quantistici di informazioni, noti come qubit, che non sono immediatamente adiacenti l'uno all'altro. L'impresa è un passo verso la realizzazione di dispositivi di calcolo quantistico dal silicio, lo stesso materiale utilizzato negli smartphone e nei computer di oggi.

La ricerca, pubblicato sulla rivista Natura , è stato condotto da ricercatori dell'Università di Princeton in collaborazione con i colleghi dell'Università di Costanza in Germania e del Joint Quantum Institute, che è una partnership dell'Università del Maryland e del National Institute of Standards and Technology.

Il team ha creato qubit da singoli elettroni intrappolati in camere di silicio note come doppi punti quantici. Applicando un campo magnetico, hanno dimostrato di poter trasferire informazioni quantistiche, codificato nella proprietà dell'elettrone nota come spin, a una particella di luce, o fotone, aprendo la possibilità di trasmettere l'informazione quantistica.

"Questo è un anno di svolta per i qubit di spin di silicio, " ha detto Jason Petta, professore di fisica a Princeton. "Questo lavoro espande i nostri sforzi in una direzione completamente nuova, perché ti toglie dal vivere in un paesaggio bidimensionale, dove puoi fare solo l'accoppiamento più prossimo, e in un mondo di connettività all-to-all, " ha detto. "Ciò crea flessibilità nel modo in cui realizziamo i nostri dispositivi".

I dispositivi quantistici offrono possibilità computazionali che non sono possibili con i computer di oggi, come fattorizzare grandi numeri e simulare reazioni chimiche. A differenza dei computer tradizionali, i dispositivi operano secondo le leggi della meccanica quantistica che governano strutture molto piccole come i singoli atomi e le particelle subatomiche. Le principali aziende tecnologiche stanno già costruendo computer quantistici basati su qubit superconduttori e altri approcci.

"Questo risultato fornisce un percorso per scalare verso sistemi più complessi seguendo la ricetta dell'industria dei semiconduttori, " disse Guido Burkard, professore di fisica all'Università di Costanza, che ha fornito indicazioni sugli aspetti teorici in collaborazione con Monica Benito, un ricercatore post-dottorato. "Questa è la visione, e questo è un passo molto importante".

Jacob Taylor, membro del team e membro del Joint Quantum Institute, paragonato la luce a un filo che può collegare spin qubit. "Se vuoi creare un dispositivo di calcolo quantistico usando questi elettroni intrappolati, come si inviano informazioni in giro sul chip? Hai bisogno dell'equivalente informatico quantistico di un cavo."

I qubit di spin in silicio sono più resistenti delle tecnologie qubit concorrenti ai disturbi esterni come calore e vibrazioni, che interrompono gli stati quantistici intrinsecamente fragili. Il semplice atto di leggere i risultati di un calcolo quantistico può distruggere lo stato quantistico, un fenomeno noto come "demolizione quantistica".

I ricercatori teorizzano che l'approccio attuale potrebbe evitare questo problema perché utilizza la luce per sondare lo stato del sistema quantistico. La luce è già utilizzata come messaggero per portare segnali via cavo e Internet nelle case tramite cavi in ​​fibra ottica, e viene anche utilizzato per collegare sistemi qubit superconduttori, ma questa è una delle prime applicazioni nei qubit di spin di silicio.

In questi qubit, l'informazione è rappresentata dallo spin dell'elettrone, che può puntare in alto o in basso. Per esempio, uno spin che punta verso l'alto potrebbe rappresentare uno 0 e uno spin che punta verso il basso potrebbe rappresentare un 1. Computer convenzionali, in contrasto, utilizzare la carica dell'elettrone per codificare le informazioni.

Connettere qubit basati su silicio in modo che possano parlare tra loro senza distruggere le loro informazioni è stata una sfida per il campo. Sebbene il team guidato da Princeton abbia accoppiato con successo due spin di elettroni vicini separati da soli 100 nanometri (100 miliardesimi di metro), come pubblicato su Science nel dicembre 2017, accoppiando la rotazione alla luce, che consentirebbe l'accoppiamento spin-spin a lunga distanza, è rimasta una sfida fino ad ora.

Nello studio attuale, il team ha risolto il problema della comunicazione a lunga distanza accoppiando le informazioni del qubit, ovvero se lo spin punta verso l'alto o verso il basso, verso una particella di luce, o fotone, che è intrappolato sopra il qubit nella camera. La natura ondulatoria del fotone gli consente di oscillare sopra il qubit come una nuvola ondulata.

Il dottorando Xiao Mi e i suoi colleghi hanno scoperto come collegare le informazioni sulla direzione della rotazione al fotone, in modo che la luce possa raccogliere un messaggio, come "punti di rotazione verso l'alto, " dal qubit. "Il forte accoppiamento di un singolo spin a un singolo fotone è un compito straordinariamente difficile simile a una danza perfettamente coreografata, " Disse Mi. "L'interazione tra i partecipanti:rotazione, carica e fotoni:devono essere progettati con precisione e protetti dal rumore ambientale, che non è stato possibile fino ad ora." Il team di Princeton includeva il collega post-dottorato Stefan Putz e lo studente laureato David Zajac.

Il progresso è stato reso possibile sfruttando le proprietà delle onde elettromagnetiche della luce. La luce è costituita da campi elettrici e magnetici oscillanti, ei ricercatori sono riusciti ad accoppiare il campo elettrico della luce allo stato di spin dell'elettrone.

I ricercatori lo hanno fatto basandosi sulla scoperta del team pubblicata nel dicembre 2016 sulla rivista Science che ha dimostrato l'accoppiamento tra una singola carica di elettroni e una singola particella di luce.

Per convincere il qubit a trasmettere il suo stato di spin al fotone, i ricercatori posizionano lo spin dell'elettrone in un ampio gradiente di campo magnetico in modo tale che lo spin dell'elettrone abbia un orientamento diverso a seconda del lato del punto quantico che occupa. Il gradiente di campo magnetico, abbinato al charge coupling dimostrato dal gruppo nel 2016, accoppia la direzione di spin del qubit al campo elettrico del fotone.

Idealmente, il fotone consegnerà quindi il messaggio a un altro qubit situato all'interno della camera. Un'altra possibilità è che il messaggio del fotone possa essere trasportato tramite fili a un dispositivo che legge il messaggio. I ricercatori stanno lavorando a queste prossime fasi del processo.

Sono ancora necessari diversi passaggi prima di realizzare un computer quantistico a base di silicio, disse Petta. I computer di tutti i giorni elaborano miliardi di bit, e sebbene i qubit siano più potenti dal punto di vista computazionale, la maggior parte degli esperti concorda sul fatto che sono necessari 50 o più qubit per raggiungere la supremazia quantistica, dove i computer quantistici inizierebbero a eclissare le loro controparti classiche.

Daniele Perdita, un professore di fisica all'Università di Basilea in Svizzera che conosce il lavoro ma non è direttamente coinvolto, ha dichiarato:"Il lavoro del professor Petta e dei suoi collaboratori è una delle scoperte più entusiasmanti nel campo degli spin qubit negli ultimi anni. Seguo il lavoro di Jason da molti anni e sono profondamente impressionato dagli standard che ha stabilito per il campo, e ancora una volta così con questo ultimo esperimento in cui compare Natura . È una grande pietra miliare nella ricerca della costruzione di un computer quantistico veramente potente in quanto apre la strada per stipare centinaia di milioni di qubit su un chip da un pollice quadrato. Questi sono sviluppi molto entusiasmanti per il settore ¬— e oltre".