L'informatica quantistica sfrutta le proprietà enigmatiche di piccole particelle per elaborare informazioni complesse. Ma i sistemi quantistici sono fragili e soggetti a errori, e utili computer quantistici devono ancora giungere a buon fine.

I ricercatori della Quantum Dynamics Unit dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hanno ideato un nuovo metodo, chiamato rilevamento della carica dell'immagine, per rilevare le transizioni degli elettroni verso gli stati quantistici. Gli elettroni possono fungere da bit quantistici, la più piccola unità di informazione quantistica; questi bit sono fondamentali per i sistemi computazionali più grandi. I computer quantistici possono essere utilizzati per comprendere il meccanismo della superconduttività, crittografia, intelligenza artificiale, tra le altre applicazioni.

"C'è un enorme divario tra il controllo di pochi bit quantistici e la costruzione di un computer quantistico, " ha detto la dottoressa Erika Kawakami, l'autore principale di un nuovo studio, pubblicato in Lettere di revisione fisica con il suggerimento dell'editore. "Con gli attuali bit quantistici allo stato dell'arte, un computer quantistico dovrebbe avere le dimensioni di un campo da calcio. Il nostro nuovo approccio potrebbe potenzialmente creare un chip di dieci centimetri".

Un nuovo potenziale per gli elettroni sull'elio

Gli elettroni devono essere immobilizzati per fungere da bit quantistici; altrimenti si muovono liberamente. Per creare un sistema di cattura degli elettroni, i ricercatori hanno usato elio liquido, che si liquefa a basse temperature, come substrato. Poiché l'elio è privo di impurità, ci si aspetta che questi elettroni mantengano gli stati quantistici più a lungo che in qualsiasi altro materiale, che è importante per realizzare un computer quantistico.

Prof. Denis Konstantinov e i suoi collaboratori, Kawakami e il dottor Asem Elarabi, posto un condensatore a piastre parallele all'interno di una cella di rame raffreddata a 0,2 gradi Kelvin (-272,8 gradi Celsius) e riempita di elio liquido condensato. Gli elettroni generati da un filamento di tungsteno si trovavano sulla superficie dell'elio liquido, tra le due armature del condensatore. Quindi, radiazione a microonde introdotta negli stati quantici degli elettroni eccitati della cella di rame, facendo sì che gli elettroni si allontanino dalla piastra del condensatore inferiore e si avvicinino alla piastra del condensatore superiore.

I ricercatori hanno confermato l'eccitazione degli stati quantistici osservando un fenomeno elettrostatico chiamato carica dell'immagine. Come un riflesso in uno specchio, la carica dell'immagine riflette con precisione il movimento degli elettroni. Se un elettrone si allontana dalla piastra del condensatore, quindi la carica dell'immagine si muove al suo fianco.

Andando avanti, i ricercatori sperano di utilizzare questo rilevamento della carica dell'immagine per misurare lo stato di spin di un singolo elettrone, o stato orbitale quantistico, senza compromettere l'integrità dei sistemi quantistici.

"Attualmente, possiamo rilevare gli stati quantistici di un insieme di molti elettroni, " ha detto Konstantinov. "Il punto di forza di questo nuovo metodo è che possiamo ridimensionare questa tecnica a un singolo elettrone e usarlo come bit quantico".