All'Istituto Niels Bohr, Università di Copenaghen, i ricercatori hanno realizzato lo scambio di spin di elettroni tra punti quantici distanti. La scoperta ci avvicina di un passo alle future applicazioni dell'informazione quantistica, poiché i puntini devono lasciare spazio sufficiente sul microchip per delicati elettrodi di controllo. La distanza tra i punti è diventata abbastanza grande per l'integrazione con la microelettronica tradizionale e forse, un futuro computer quantistico. Il risultato è raggiunto attraverso una collaborazione multinazionale con la Purdue University e l'UNSW, Sidney, Australia, ora pubblicato in Comunicazioni sulla natura .

Le dimensioni contano nello scambio di informazioni quantistiche anche su scala nanometrica

Le informazioni quantistiche possono essere archiviate e scambiate utilizzando gli stati di spin degli elettroni. La carica degli elettroni può essere manipolata da impulsi di tensione di gate, che controlla anche la loro rotazione. Si credeva che questo metodo potesse essere pratico solo se i punti quantici si toccassero; se schiacciati troppo vicini gli spin reagiranno troppo violentemente, se posizionati troppo distanti, gli spin interagiranno troppo lentamente. Questo crea un dilemma, perché se un computer quantistico vedrà mai la luce del giorno, abbiamo bisogno di entrambi, scambio di spin veloce e spazio sufficiente attorno ai punti quantici per ospitare gli elettrodi di gate pulsati.

Normalmente, i punti sinistro e destro nell'array lineare di punti quantici (Illustrazione 1) sono troppo distanti per scambiare informazioni quantistiche tra loro. Federico Martini, postdoc presso UNSW, Sidney, Australia, spiega:"Codifichiamo le informazioni quantistiche negli stati di spin degli elettroni, che hanno la proprietà desiderabile di non interagire molto con l'ambiente rumoroso, rendendoli utili come memorie quantistiche robuste e longeve. Ma quando vuoi elaborare attivamente le informazioni quantistiche, la mancanza di interazione è controproducente - perché ora vuoi che gli spin interagiscano!" Cosa fare? Non puoi avere sia informazioni di lunga durata che scambio di informazioni - o almeno così sembra. "Abbiamo scoperto che inserendo un grande, punto quantico allungato tra i punti di sinistra e i punti di destra, può mediare uno scambio coerente di stati di spin, in un miliardesimo di secondo, senza mai spostare gli elettroni dai loro punti. In altre parole, ora abbiamo sia l'interazione veloce che lo spazio necessario per gli elettrodi di gate pulsati", dice Ferdinand Kuemmeth, professore associato presso l'Istituto Niels Bohr.

La collaborazione tra ricercatori con competenze diverse è stata la chiave del successo. Le collaborazioni interne migliorano costantemente l'affidabilità dei processi di nanofabbricazione e la sofisticatezza delle tecniche a bassa temperatura. Infatti, presso il Centro per i dispositivi quantistici, i principali contendenti per l'implementazione di computer quantistici a stato solido sono attualmente intensamente studiati, vale a dire qubit di spin semiconduttori, qubit gatemon superconduttori, e qubit Majorana topologici.

Tutti sono qubit controllati in tensione, consentendo ai ricercatori di condividere trucchi e risolvere insieme sfide tecniche. Ma Kuemmeth si affretta ad aggiungere che "tutto questo sarebbe inutile se non avessimo accesso a cristalli semiconduttori estremamente puliti in primo luogo". Michele Manfra, Professore di Ingegneria dei Materiali, concorda:"Purdue ha lavorato molto per comprendere i meccanismi che portano a punti quantici silenziosi e stabili. È fantastico vedere che questo lavoro porta benefici ai nuovi qubit di Copenaghen".

Il quadro teorico della scoperta è fornito dall'Università di Sydney, Australia. Stephen Bartlett, professore di fisica quantistica all'Università di Sydney, ha detto:"Ciò che trovo eccitante di questo risultato come teorico, è che ci libera dalla geometria vincolante di un qubit facendo affidamento solo sui suoi vicini più prossimi". Il suo team ha eseguito calcoli dettagliati, fornendo la spiegazione della meccanica quantistica per la scoperta controintuitiva.

Globale, la dimostrazione dello scambio di spin veloce costituisce non solo un notevole risultato scientifico e tecnico, ma può avere profonde implicazioni per l'architettura dei computer quantistici a stato solido. Il motivo è la distanza:"Se gli spin tra qubit non vicini possono essere scambiati in modo controllabile, ciò consentirà la realizzazione di reti in cui l'aumento della connettività qubit-qubit si traduce in un volume quantistico computazionale significativamente aumentato", predice Kuemmeth.