I ricercatori stanno sfruttando un fenomeno appena scoperto nel silicio che rende i bit quantistici più facili da manipolare, portando a un'elaborazione delle informazioni più rapida e più duratura tramite il calcolo quantistico. Credito:immagine della Purdue University/Rifat Ferdous
I bit quantistici sono ora più facili da manipolare per i dispositivi nell'informatica quantistica, grazie alla maggiore interazione spin-orbita nel silicio.
Un chip per computer quantistico al silicio ha il potenziale per contenere milioni di bit quantistici, o qubit, per un'elaborazione delle informazioni molto più rapida rispetto ai bit dei computer di oggi. Questo si traduce in ricerche di database ad alta velocità, una migliore sicurezza informatica e una simulazione altamente efficiente di materiali e processi chimici.
Ora, gruppi di ricerca della Purdue University, l'Università tecnologica di Delft, I Paesi Bassi e l'Università del Wisconsin-Madison hanno scoperto che il silicio ha interazioni spin-orbita uniche che possono consentire la manipolazione dei qubit utilizzando campi elettrici, senza la necessità di agenti artificiali.
"I qubit codificati negli spin degli elettroni sono particolarmente longevi nel silicio, ma sono difficili da controllare dai campi elettrici. L'interazione spin-orbita è una manopola importante per la progettazione di qubit che si pensava fossero piccoli in questo materiale, tradizionalmente, " disse Rajib Rahman, professore assistente di ricerca presso la Purdue's School of Electrical and Computer Engineering.
La forza dell'interazione spin-orbita, che è l'interazione dello spin di un elettrone con il suo moto, è un fattore importante per la qualità di un qubit. I ricercatori hanno trovato un'interazione spin-orbita più importante del solito sulla superficie del silicio, dove i qubit si trovano sotto forma di cosiddetti punti quantici, elettroni confinati in tre dimensioni. Il laboratorio di Rahman ha identificato che questa interazione spin-orbita è di natura anisotropa, il che significa che dipende dall'angolo di un campo magnetico esterno, e fortemente influenzata dai dettagli atomici della superficie.
"Questa anisotropia può essere impiegata per aumentare o ridurre al minimo la forza dell'interazione spin-orbita, " disse Rifat Ferdous, autore principale di questo lavoro e assistente di ricerca laureato alla Purdue in ingegneria elettrica e informatica. L'interazione spin-orbita quindi influenza i qubit.
"Se c'è una forte interazione spin-orbita, la durata del qubit è più breve ma puoi manipolarlo più facilmente. L'opposto accade con una debole interazione spin-orbita:la vita del qubit è più lunga, ma la manipolazione è più difficile, " ha detto Rahman.
I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati il 5 giugno su Nature Partner Journals—Quantum Information. Il team del Wisconsin-Madison ha fabbricato il dispositivo al silicio, il team di Delft ha eseguito gli esperimenti e il team di Purdue ha condotto l'indagine teorica delle osservazioni sperimentali. Questo lavoro è sostenuto dall'Ufficio di ricerca dell'esercito, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, la National Science Foundation e il Consiglio europeo della ricerca.
Il prossimo lavoro nel laboratorio di Rahman si concentrerà sullo sfruttamento della natura anisotropa delle interazioni spin-orbita per migliorare ulteriormente la coerenza e il controllo dei qubit, e, perciò, l'espansione dei chip per computer quantistici.
