Per rendere i qubit per i computer quantistici meno suscettibili al rumore, si usa preferenzialmente lo spin di un elettrone o di qualche altra particella. I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno ora sviluppato un metodo che consente di accoppiare fortemente un tale qubit di spin ai fotoni delle microonde.

I computer quantistici usano bit quantistici o "qubit" per eseguire i loro calcoli:stati quantistici, questo è, di atomi o elettroni che possono assumere contemporaneamente i valori logici "0" e "1". Per collegare molti di questi qubit per creare un potente computer quantistico, bisogna accoppiarli tra loro per distanze di millimetri o anche di parecchi metri. Un modo per ottenere ciò è sfruttare lo spostamento di carica causato da un'onda elettromagnetica, che è il principio di funzionamento di un'antenna. Tale accoppiamento, però, espone inoltre il qubit a disturbi dovuti a campi elettrici indesiderati, che limita fortemente la qualità delle operazioni logiche dei qubit.

Un team di scienziati che lavorano in diversi gruppi di ricerca presso l'ETH di Zurigo, assistito da fisici teorici presso la Sherbrooke University in Canada, hanno ora dimostrato come questo problema può essere evitato. Fare così, hanno trovato un modo per accoppiare un fotone a microonde a uno spin qubit in un punto quantico.

Qubit con carica o spin

Nei punti quantici, gli elettroni vengono prima intrappolati in strutture a semiconduttore che misurano solo pochi nanometri e vengono raffreddate a meno di un grado sopra lo zero assoluto della scala della temperatura. I valori logici 0 e 1 possono ora essere realizzati in due modi diversi. Uno definisce un qubit in termini di posizione dell'elettrone sul lato destro o sinistro di un doppio punto quantico, oppure dallo spin dell'elettrone, che può puntare in alto o in basso.

Il primo caso è chiamato qubit di carica, che si accoppia fortemente alle onde elettromagnetiche attraverso lo spostamento della carica elettrica. Un qubit di spin, d'altra parte, può essere visualizzato come un minuscolo ago della bussola che punta verso l'alto o verso il basso. Proprio come l'ago di una bussola, una rotazione è anche magnetica e, perciò, non si accoppia a campi elettrici ma piuttosto a campi magnetici. L'accoppiamento di un qubit di spin alla parte magnetica delle onde elettromagnetiche, però, è molto più debole di quello di un qubit di carica alla parte elettrica.

Tre giri per un accoppiamento più forte

Ciò significa che, da una parte, uno spin qubit è meno suscettibile al rumore e mantiene la sua coerenza (su cui si basa l'azione di un computer quantistico) per un periodo di tempo più lungo. D'altra parte, è considerevolmente più difficile accoppiare tra loro qubit di spin su lunghe distanze usando i fotoni. Il gruppo di ricerca del professore dell'ETH Klaus Ensslin usa un trucco per rendere possibile un tale accoppiamento, come spiega il post-doc Jonne Koski:"Rendendo conto del qubit non solo con un singolo giro, ma piuttosto tre di loro, possiamo combinare i vantaggi di un qubit di spin con quelli di un qubit di carica."

In pratica, questo viene fatto producendo tre punti quantici su un chip semiconduttore che sono vicini l'uno all'altro e possono essere controllati da tensioni applicate tramite fili minuscoli. In ciascuno dei punti quantici, gli elettroni con spin verso l'alto o verso il basso possono essere intrappolati. Inoltre, uno dei fili collega lo spin trio a un risonatore a microonde. Le tensioni ai punti quantici sono ora regolate in modo da avere un singolo elettrone in ogni punto quantico, con gli spin di due degli elettroni che puntano nella stessa direzione e il terzo spin che punta nella direzione opposta.

Spostamento di carica attraverso tunneling

Secondo le regole della meccanica quantistica, gli elettroni possono anche scavare avanti e indietro tra i punti quantici con una certa probabilità. Ciò significa che due dei tre elettroni possono temporaneamente trovarsi nello stesso punto quantico, con un punto quantico che rimane vuoto. In questa costellazione la carica elettrica è ora distribuita in modo non uniforme. Questo spostamento di carica, a sua volta, dà luogo ad un dipolo elettrico che può accoppiarsi fortemente al campo elettrico di un fotone a microonde.

Gli scienziati dell'ETH sono stati in grado di rilevare chiaramente il forte accoppiamento misurando la frequenza di risonanza del risonatore a microonde. Hanno osservato come la risonanza del risonatore si dividesse in due a causa dell'accoppiamento con il trio di spin. Da quei dati hanno potuto dedurre che la coerenza dello spin qubit è rimasta intatta per più di 10 nanosecondi.

Spin trii per un bus quantistico

I ricercatori sono fiduciosi che sarà presto possibile realizzare un canale di comunicazione per le informazioni quantistiche tra due spin qubit utilizzando questa tecnologia. "Ciò richiederà di mettere trio di spin su entrambe le estremità del risonatore a microonde e di mostrare che i qubit sono quindi accoppiati tra loro attraverso un fotone a microonde", dice Andreas Landig, primo autore dell'articolo e Ph.D. studente nel gruppo di Ensslin. Questo sarebbe un passo importante verso una rete di qubit di spin distribuiti nello spazio. I ricercatori sottolineano anche che il loro metodo è molto versatile e può essere applicato direttamente ad altri materiali come il grafene.