I ricercatori del MIT e altrove hanno registrato, per la prima volta, la "coerenza temporale" di un qubit di grafene, ovvero per quanto tempo può mantenere uno stato speciale che gli consente di rappresentare due stati logici contemporaneamente. La dimostrazione, che utilizzava un nuovo tipo di qubit a base di grafene, rappresenta un passo avanti fondamentale per l'informatica quantistica pratica, dicono i ricercatori.

Bit quantistici superconduttori (semplicemente, qubit) sono atomi artificiali che utilizzano vari metodi per produrre bit di informazioni quantistiche, la componente fondamentale dei computer quantistici. Simile ai circuiti binari tradizionali nei computer, i qubit possono mantenere uno dei due stati corrispondenti ai classici bit binari, a 0 o 1. Ma questi qubit possono anche essere una sovrapposizione di entrambi gli stati contemporaneamente, che potrebbe consentire ai computer quantistici di risolvere problemi complessi che sono praticamente impossibili per i computer tradizionali.

La quantità di tempo in cui questi qubit rimangono in questo stato di sovrapposizione viene definita "tempo di coerenza". Più lungo è il tempo di coerenza, maggiore è la capacità del qubit di calcolare problemi complessi.

Recentemente, i ricercatori hanno incorporato materiali a base di grafene in dispositivi di calcolo quantistico superconduttori, che promettono più velocemente, calcolo più efficiente, tra gli altri vantaggi. Fino ad ora, però, non è stata registrata alcuna coerenza per questi qubit avanzati, quindi non si sa se sono fattibili per il calcolo quantistico pratico.

In un articolo pubblicato oggi in Nanotecnologia della natura , i ricercatori dimostrano, per la prima volta, un qubit coerente realizzato con grafene e materiali esotici. Questi materiali consentono al qubit di cambiare stato attraverso la tensione, proprio come i transistor nei chip dei computer tradizionali di oggi e diversamente dalla maggior parte degli altri tipi di qubit superconduttori. Inoltre, i ricercatori hanno messo un numero a quella coerenza, cronometrandolo a 55 nanosecondi, prima che il qubit ritorni al suo stato fondamentale.

Il lavoro ha combinato le competenze dei coautori William D. Oliver, un professore di fisica della pratica e Lincoln Laboratory Fellow il cui lavoro si concentra sui sistemi di calcolo quantistico, e Pablo Jarillo-Herrero, il Cecil e Ida Green Professor of Physics al MIT che ricerca innovazioni nel grafene.

"La nostra motivazione è utilizzare le proprietà uniche del grafene per migliorare le prestazioni dei qubit superconduttori, " dice il primo autore Joel I-Jan Wang, un postdoc nel gruppo di Oliver nel Research Laboratory of Electronics (RLE) del MIT. "In questo lavoro, mostriamo per la prima volta che un qubit superconduttore fatto di grafene è temporalmente coerente quantistica, un requisito chiave per costruire circuiti quantistici più sofisticati. Il nostro è il primo dispositivo a mostrare un tempo di coerenza misurabile, una metrica primaria di un qubit, che è abbastanza lungo da essere controllato dagli umani".

Ci sono altri 14 coautori, tra cui Daniel Rodan-Legrain, uno studente laureato nel gruppo di Jarillo-Herrero che ha contribuito ugualmente al lavoro con Wang; ricercatori del MIT di RLE, il Dipartimento di Fisica, il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica, e Laboratorio Lincoln; e ricercatori del Laboratorio dei solidi irradiati dell'École Polytechnique e del Laboratorio di materiali avanzati dell'Istituto nazionale per la scienza dei materiali.

Un panino al grafene incontaminato

I qubit superconduttori si basano su una struttura nota come "giunzione Josephson, " dove un isolante (di solito un ossido) è inserito tra due materiali superconduttori (solitamente alluminio). Nei tradizionali progetti di qubit sintonizzabili, un anello di corrente crea un piccolo campo magnetico che fa sì che gli elettroni saltino avanti e indietro tra i materiali superconduttori, causando il cambio di stato del qubit.

Ma questa corrente che scorre consuma molta energia e causa altri problemi. Recentemente, alcuni gruppi di ricerca hanno sostituito l'isolante con il grafene, uno strato di carbonio dello spessore di un atomo che è poco costoso da produrre in serie e ha proprietà uniche che potrebbero consentire più velocemente, calcolo più efficiente.

Per fabbricare il loro qubit, i ricercatori si sono rivolti a una classe di materiali, chiamati materiali di van der Waals, materiali sottili come atomi che possono essere impilati come i Lego uno sopra l'altro, con poca o nessuna resistenza o danno. Questi materiali possono essere impilati in modi specifici per creare vari sistemi elettronici. Nonostante la loro qualità superficiale quasi impeccabile, solo pochi gruppi di ricerca hanno mai applicato i materiali di van der Waals ai circuiti quantistici, e nessuno ha dimostrato in precedenza di esibire coerenza temporale.

Per la loro giunzione Josephson, i ricercatori hanno inserito un foglio di grafene tra i due strati di un isolante van der Waals chiamato nitruro di boro esagonale (hBN). È importante sottolineare che il grafene assume la superconduttività dei materiali superconduttori che tocca. I materiali van der Waals selezionati possono essere realizzati per portare gli elettroni in giro usando la tensione, invece del tradizionale campo magnetico basato sulla corrente. Perciò, così può il grafene, e così l'intero qubit.

Quando la tensione viene applicata al qubit, gli elettroni rimbalzano avanti e indietro tra due cavi superconduttori collegati da grafene, cambiando il qubit da ground (0) a stato eccitato o di sovrapposizione (1). Lo strato di hBN inferiore funge da substrato per ospitare il grafene. Lo strato superiore di hBN incapsula il grafene, proteggendolo da ogni contaminazione. Perché i materiali sono così incontaminati, gli elettroni in viaggio non interagiscono mai con i difetti. Questo rappresenta il "trasporto balistico" ideale per i qubit, dove la maggior parte degli elettroni si sposta da un conduttore superconduttore a un altro senza dispersione di impurità, fare un veloce, preciso cambiamento di stato.

In che modo la tensione aiuta

Il lavoro può aiutare ad affrontare il "problema di ridimensionamento" del qubit, " dice Wang. Attualmente, solo circa 1, 000 qubit possono stare su un singolo chip. Avere qubit controllati dalla tensione sarà particolarmente importante poiché milioni di qubit iniziano a essere stipati su un singolo chip. "Senza controllo di tensione, avrai anche bisogno di migliaia o milioni di loop correnti, e questo occupa molto spazio e porta alla dissipazione di energia, " lui dice.

Inoltre, controllo della tensione significa maggiore efficienza e un più localizzato, targeting preciso dei singoli qubit su un chip, senza "discussione incrociata". Ciò accade quando un po' del campo magnetico creato dalla corrente interferisce con un qubit che non sta prendendo di mira, causando problemi di calcolo.

Per adesso, il qubit dei ricercatori ha una vita breve. Per riferimento, i qubit superconduttori convenzionali che promettono l'applicazione pratica hanno documentato tempi di coerenza di poche decine di microsecondi, alcune centinaia di volte maggiore del qubit dei ricercatori.

Ma i ricercatori stanno già affrontando diversi problemi che causano questa breve vita, la maggior parte dei quali richiede modifiche strutturali. Stanno anche usando il loro nuovo metodo di sondaggio della coerenza per indagare ulteriormente su come gli elettroni si muovono balisticamente attorno ai qubit, con l'obiettivo di estendere la coerenza dei qubit in generale.