Un team di ricercatori di Cambridge ha trovato un modo per controllare il mare di nuclei nei punti quantici dei semiconduttori in modo che possano funzionare come un dispositivo di memoria quantistica.

I punti quantici sono cristalli formati da migliaia di atomi, e ciascuno di questi atomi interagisce magneticamente con l'elettrone intrappolato. Se lasciato solo a se stesso, questa interazione dell'elettrone con gli spin nucleari, limita l'utilità dell'elettrone come bit quantistico, un qubit.

Guidati dal professor Mete Atatüre, un membro del St John's College, Università di Cambridge, il gruppo di ricerca, situato presso il Laboratorio Cavendish, sfruttare le leggi della fisica quantistica e dell'ottica per studiare l'informatica, applicazioni di rilevamento o comunicazione.

Atatüre ha dichiarato:"I punti quantici offrono un'interfaccia ideale, come mediato dalla luce, a un sistema in cui le dinamiche dei singoli spin interagenti potrebbero essere controllate e sfruttate. Poiché i nuclei "rubano" casualmente informazioni dall'elettrone, sono stati tradizionalmente un fastidio, ma abbiamo dimostrato di poterli sfruttare come risorsa".

Il team di Cambridge ha trovato un modo per sfruttare l'interazione tra l'elettrone e le migliaia di nuclei usando i laser per "raffreddare" i nuclei a meno di 1 milliKelvin, o un millesimo di grado sopra lo zero assoluto di temperatura. Hanno poi dimostrato di poter controllare e manipolare le migliaia di nuclei come se formassero un unico corpo all'unisono, come un secondo qubit. Ciò dimostra che i nuclei nel punto quantico possono scambiare informazioni con il qubit di elettroni e possono essere utilizzati per memorizzare informazioni quantistiche come dispositivo di memoria. I risultati sono stati pubblicati in Scienza oggi.

Il calcolo quantistico mira a sfruttare i concetti fondamentali della fisica quantistica, come il principio di entanglement e sovrapposizione, per superare gli attuali approcci all'informatica e potrebbe rivoluzionare la tecnologia, affari e ricerca. Proprio come i computer classici, i computer quantistici hanno bisogno di un processore, memoria, e un autobus per trasportare le informazioni avanti e indietro. Il processore è un qubit che può essere un elettrone intrappolato in un punto quantico, il bus è un singolo fotone che questi punti quantici generano e sono ideali per lo scambio di informazioni. Ma l'anello mancante per i punti quantici è la memoria quantistica.

Atatüre ha detto:"Invece di parlare con singoli spin nucleari, abbiamo lavorato sull'accesso alle onde di spin collettive tramite laser. Questo è come uno stadio in cui non devi preoccuparti di chi alza le mani nell'onda messicana che gira, finché c'è un'onda collettiva perché tutti ballano all'unisono.

"Abbiamo poi continuato a dimostrare che queste onde di spin hanno coerenza quantistica. Questo era il pezzo mancante del puzzle e ora abbiamo tutto il necessario per costruire una memoria quantistica dedicata per ogni qubit".

Nelle tecnologie quantistiche, il fotone, il qubit e la memoria devono interagire tra loro in modo controllato. Ciò si realizza principalmente interfacciando diversi sistemi fisici per formare una singola unità ibrida che può essere inefficiente. I ricercatori sono stati in grado di dimostrare che nei punti quantici, l'elemento di memoria è automaticamente presente con ogni singolo qubit.

Dottor Dorian Gangloff, uno dei primi autori della carta e un Fellow a St John's, ha detto che la scoperta rinnoverà l'interesse per questi tipi di punti quantici di semiconduttori. Il Dr. Gangloff ha spiegato:"Questa è una svolta del Santo Graal per la ricerca sui punti quantici, sia per la memoria quantistica che per la ricerca fondamentale; ora abbiamo gli strumenti per studiare le dinamiche di sistemi complessi nello spirito della simulazione quantistica".

Le opportunità a lungo termine di questo lavoro possono essere viste nel campo dell'informatica quantistica. Lo scorso mese, IBM ha lanciato il primo computer quantistico commerciale al mondo, e l'amministratore delegato di Microsoft ha affermato che l'informatica quantistica ha il potenziale per "rimodellare radicalmente il mondo".

Gangloff ha dichiarato:"L'impatto del qubit potrebbe essere lontano mezzo secolo, ma il potere della tecnologia dirompente è che è difficile concepire i problemi che potremmo aprire:puoi provare a pensarlo come sconosciute note, ma a un certo punto entri in un nuovo territorio. Non conosciamo ancora il tipo di problemi che aiuterà a risolvere, il che è molto eccitante. "