I fisici hanno progettato una memoria quantistica 3D che affronta il compromesso tra il raggiungimento di lunghi tempi di archiviazione e tempi di lettura rapidi, pur mantenendo una forma compatta. La nuova memoria ha potenziali applicazioni nell'informatica quantistica, comunicazione quantistica, e altre tecnologie.

I fisici, Edwar Xie e coautori del Walther-Meissner-Institut, Università tecnica di Monaco di Baviera, e Nanosystems Initiative Monaco di Baviera (NIM), Germania, hanno pubblicato un articolo sulla nuova memoria quantistica 3-D in un recente numero di Lettere di fisica applicata .

"Dato che l'informazione quantistica è molto fragile, necessita di essere processato velocemente o conservato in un idoneo magazzino. Questi due requisiti sono in genere in conflitto, "Xie ha detto Phys.org . "Il più grande significato del nostro lavoro è che mostra come costruire un dispositivo con accesso rapido alle informazioni quantistiche archiviate, consentendo un'elaborazione rapida, combinato con un lungo tempo di conservazione."

Una delle maggiori sfide che ogni tipo di tecnologia quantistica deve affrontare è migliorare la durata dei qubit, e quando si tratta di memorie quantistiche, I dispositivi 3D offrono i tempi di coerenza più lunghi, fino a pochi millisecondi. In questi ricordi, i qubit sono memorizzati in cavità guida d'onda a microonde 3-D, i cui tempi di decadimento lenti consentono lunghi tempi di memorizzazione dei qubit. Però, si verifica un compromesso in questi dispositivi, poiché tempi di lettura rapidi richiedono che il decadimento della cavità sia veloce.

In precedenza, i ricercatori hanno affrontato questo compromesso in vari modi, ad esempio separando fisicamente le unità di memorizzazione e lettura. Però, con unità separate i dispositivi diventano relativamente grandi e ingombranti rispetto alle memorie 2-D, causando problemi di scalabilità.

Per ottenere contemporaneamente lunghi tempi di conservazione, tempi di lettura veloci, e un piccolo ingombro, nel nuovo studio i ricercatori hanno utilizzato la struttura multimodale delle cavità 3-D. In questo approccio, i ricercatori hanno utilizzato antenne per accoppiare un qubit a due modalità distinte di una singola cavità a microonde 3-D, che è molto più compatto rispetto all'utilizzo di due unità completamente separate. Hanno progettato la cavità in modo che la modalità di memoria abbia un fattore di qualità 100 volte maggiore di quello della modalità di lettura, che porta a un decadimento lento per la modalità di memoria e un decadimento rapido per la modalità di lettura.

Per effetto di questo accoppiamento, i ricercatori hanno dimostrato che lo stato del qubit può essere letto su una scala temporale 100 volte più breve del tempo di memorizzazione. Ulteriore, le simulazioni hanno mostrato che un posizionamento dell'antenna più accurato potrebbe estendere il rapporto tra lettura e tempo di archiviazione a 25, 000. Questo valore supererebbe in modo significativo l'attuale rapporto massimo riportato di 7300 per le memorie quantistiche con cavità 3D cilindriche.

Nel futuro, i ricercatori hanno in programma di apportare ulteriori miglioramenti alla memoria, come aumentare aggiungendo più qubit, accoppiando il qubit a modalità cavità superiori, e consentire alla memoria di memorizzare gli stati del gatto (una sovrapposizione di due stati macroscopici), che ha potenziali applicazioni nel calcolo quantistico a variabile continua.

"Una potenziale applicazione di questa memoria quantistica 3D compatta risiede nel campo della simulazione quantistica analogica, dove un circuito quantistico ingegnerizzato, come un qubit, imita un atomo, " ha detto Xie. "Grazie alle sue dimensioni compatte e ai requisiti di cablaggio rilassati, la nostra piattaforma di memoria quantistica 3D è particolarmente adatta per costruire catene di atomi artificiali per la simulazione di molecole. Qui, una cella della catena è costituita da una singola cavità 3-D con un qubit, una modalità di memorizzazione per l'archiviazione di informazioni intermedie e una modalità di lettura per il recupero rapido delle informazioni. L'accoppiamento con la cella vicina può essere ottenuto con un altro qubit."

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