I computer quantistici basati su spin hanno il potenziale per affrontare problemi matematici difficili che non possono essere risolti utilizzando computer ordinari, ma rimangono molti problemi nel rendere scalabili queste macchine. Ora, un gruppo internazionale di ricercatori guidati dal RIKEN Center for Emergent Matter Science ha creato una nuova architettura per l'informatica quantistica. Costruendo un dispositivo ibrido composto da due diversi tipi di qubit, l'elemento di calcolo fondamentale dei computer quantistici, hanno creato un dispositivo che può essere rapidamente inizializzato e letto, e che mantiene contemporaneamente un'elevata fedeltà di controllo.

In un'era in cui i computer convenzionali sembrano raggiungere un limite, i computer quantistici, che eseguono calcoli utilizzando fenomeni quantistici, sono stati propagandati come potenziali sostituti, e possono affrontare i problemi in un modo molto diverso e potenzialmente molto più rapido. Però, si è rivelato difficile scalarli fino alla dimensione richiesta per eseguire calcoli nel mondo reale.

Nel 1998, Daniele Perdita, uno degli autori del presente studio, ha fatto una proposta, insieme a David DiVincenzo di IBM, costruire un computer quantistico utilizzando gli spin degli elettroni incorporati in un punto quantico, una piccola particella che si comporta come un atomo, ma questo può essere manipolato, così che a volte sono chiamati "atomi artificiali". Nel tempo da allora, Loss e il suo team si sono sforzati di costruire dispositivi pratici.

Esistono numerosi ostacoli allo sviluppo di dispositivi pratici in termini di velocità. Primo, il dispositivo deve poter essere inizializzato rapidamente. L'inizializzazione è il processo di mettere un qubit in un certo stato, e se ciò non può essere fatto rapidamente, rallenta il dispositivo. Secondo, deve mantenere la coerenza per un tempo sufficientemente lungo da poter effettuare una misurazione. La coerenza si riferisce all'entanglement tra due stati quantistici, e alla fine questo viene utilizzato per effettuare la misurazione, quindi se i qubit diventano decoerenti a causa del rumore ambientale, Per esempio, il dispositivo diventa inutile. E infine, lo stato finale del qubit deve poter essere letto rapidamente.

Sebbene siano stati proposti numerosi metodi per costruire un computer quantistico, quello proposto da Loss e DiVincenzo rimane uno dei più praticabili, in quanto si basa su semiconduttori, per i quali esiste già una grande industria.

Per lo studio in corso, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , il team ha combinato due tipi di qubit su un singolo dispositivo. Il primo, un tipo di qubit a spin singolo chiamato qubit Loss-DiVincenzo, ha una fedeltà di controllo molto alta, il che significa che è in uno stato chiaro, rendendolo ideale per i calcoli, e ha un lungo tempo di decoerenza, in modo che rimanga in un dato stato per un tempo relativamente lungo prima di perdere il segnale nell'ambiente.

Sfortunatamente, lo svantaggio di questi qubit è che non possono essere inizializzati rapidamente in uno stato o letti. Il secondo tipo, chiamato qubit singoletto-tripletta, viene rapidamente inizializzato e letto, ma diventa rapidamente decoerente. Per lo studio, gli scienziati hanno combinato i due tipi con un tipo di gate quantistico noto come gate a fase controllata, che ha permesso di intrecciare gli stati di spin tra i qubit in un tempo abbastanza veloce da mantenere la coerenza, consentendo la lettura dello stato del qubit a spin singolo mediante la misurazione veloce di qubit singoletto-tripletta.

Secondo Akito Noiri del CEMS, l'autore principale dello studio, "Con questo studio abbiamo dimostrato che diversi tipi di punti quantici possono essere combinati su un singolo dispositivo per superare i rispettivi limiti. Ciò offre importanti spunti che possono contribuire alla scalabilità dei computer quantistici".