Una tecnica per manipolare gli elettroni con la luce potrebbe portare l'informatica quantistica a temperatura ambiente.

Un team di ricercatori in Germania e presso l'Università del Michigan ha dimostrato come gli impulsi laser a infrarossi possono spostare gli elettroni tra due diversi stati, il classico 1 e 0, in un sottile foglio di semiconduttore.

"L'elettronica ordinaria è nell'intervallo dei gigahertz, un miliardo di operazioni al secondo. Questo metodo è un milione di volte più veloce, " disse Macillo Kira, Professore UM di ingegneria elettrica e informatica.

Ha condotto la parte teorica dello studio, da pubblicare sulla rivista Natura , collaborando con fisici presso l'Università di Marburg in Germania. L'esperimento è stato condotto presso l'Università di Regensburg in Germania.

L'informatica quantistica potrebbe risolvere problemi che impiegano troppo tempo sui computer convenzionali, avanzando settori come l'intelligenza artificiale, previsioni del tempo e progettazione di farmaci. I computer quantistici ottengono la loro potenza dal modo in cui i loro bit della meccanica quantistica, o qubit, non sono solo 1 o 0, ma possono essere miscele, note come sovrapposizioni, di questi stati.

"In un computer classico, ogni configurazione di bit deve essere archiviata ed elaborata una per una mentre un insieme di qubit può idealmente archiviare ed elaborare tutte le configurazioni con una sola esecuzione, " disse Kira.

Ciò significa che quando vuoi esaminare una serie di possibili soluzioni a un problema e trovare la soluzione migliore, l'informatica quantistica può portarti lì molto più velocemente.

Ma i qubit sono difficili da realizzare perché gli stati quantistici sono estremamente fragili. La principale via commerciale, perseguito da società come Intel, IBM, Microsoft e D-Wave, utilizza circuiti superconduttori:anelli di filo raffreddati a temperature estremamente basse (-321°F o meno), in cui gli elettroni smettono di scontrarsi tra loro e formano invece stati quantistici condivisi attraverso un fenomeno noto come coerenza.

Piuttosto che trovare un modo per restare a lungo su uno stato quantico, il nuovo studio dimostra un modo per eseguire l'elaborazione prima che gli stati cadano a pezzi.

"A lungo termine, vediamo una possibilità realistica di introdurre dispositivi di informazione quantistica che eseguono operazioni più velocemente di una singola oscillazione di un'onda luminosa, " ha detto Rupert Huber, professore di fisica all'Università di Ratisbona, che ha condotto l'esperimento. "Il materiale è relativamente facile da realizzare, funziona in aria a temperatura ambiente, e a pochi atomi di spessore, è estremamente compatto."

Il materiale è un singolo strato di tungsteno e selenio in un reticolo a nido d'ape. Questa struttura produce una coppia di stati elettronici noti come pseudospin. Non è lo spin dell'elettrone (e anche allora, i fisici avvertono che gli elettroni non stanno effettivamente ruotando), ma è una sorta di momento angolare. Questi due pseudospin possono codificare 1 e 0.

Il team di Huber ha stimolato gli elettroni in questi stati con rapidi impulsi di luce infrarossa, della durata di pochi femtosecondi (quintilionesimi di secondo). L'impulso iniziale ha la sua rotazione, nota come polarizzazione circolare, che invia gli elettroni in uno stato di pseudospin. Quindi, gli impulsi di luce che non hanno uno spin (polarizzato linearmente) possono spingere gli elettroni da uno pseudospin all'altro e viceversa.

Trattando questi stati come ordinari 1 e 0, potrebbe essere possibile creare un nuovo tipo di computer "a onde luminose" con velocità di clock milioni di volte superiori a quelle menzionate da Kira. La prima sfida lungo questo percorso sarà quella di utilizzare un treno di impulsi laser per "capovolgere" gli pseudospin a piacimento.

Ma gli elettroni possono anche formare stati di sovrapposizione tra i due pseudospin. Con una serie di impulsi, dovrebbe essere possibile eseguire calcoli fino a quando gli elettroni non escono dal loro stato coerente. Il team ha dimostrato di poter capovolgere un qubit abbastanza rapidamente da eseguire una serie di operazioni, in pratica, è abbastanza veloce da funzionare in un processore quantistico.

Inoltre, gli elettroni emettono costantemente luce che rende facile leggere un qubit senza disturbare il suo delicato stato quantico. La polarizzazione circolare in senso orario indica uno stato di pseudospin, in senso antiorario l'altro.

I prossimi passi verso l'informatica quantistica saranno far funzionare due qubit contemporaneamente, abbastanza vicini l'uno all'altro da interagire. Ciò potrebbe comportare l'impilamento dei fogli piatti di semiconduttore o l'utilizzo di tecniche di nanostrutturazione per recintare i qubit all'interno di un singolo foglio, Per esempio.