Negli anni a venire, i computer quantistici e le reti quantistiche potrebbero essere in grado di affrontare compiti inaccessibili ai sistemi informatici tradizionali. Ad esempio, potrebbero essere utilizzati per simulare questioni complesse o consentire comunicazioni fondamentalmente sicure.

Gli elementi costitutivi elementari dei sistemi di informazione quantistica sono noti come qubit. Affinché la tecnologia quantistica diventi una realtà tangibile, i ricercatori dovranno identificare strategie per controllare molti qubit con tassi di precisione molto elevati.

Spin di singole particelle nei solidi, come elettroni e nuclei hanno recentemente mostrato grandi promesse per lo sviluppo di reti quantistiche. Mentre alcuni ricercatori sono stati in grado di dimostrare un controllo elementare di questi qubit, finora, nessuno ha riportato stati quantistici entangled contenenti più di tre spin.

Per raggiungere la potenza di calcolo necessaria per completare compiti complessi, i registri quantistici dovrebbero essere significativamente più grandi di quelli realizzati finora. Però, il controllo degli spin individuali all'interno di sistemi quantistici complessi e fortemente interagenti si è finora dimostrato molto impegnativo.

Recentemente, un team di ricercatori della TU Delft e di Element Six ha dimostrato con successo un registro di spin a dieci qubit completamente controllabile con una memoria quantistica fino a un minuto. Le loro scoperte, presentato in un articolo pubblicato in Revisione fisica X , potrebbe aprire la strada allo sviluppo di registri quantistici più grandi e tuttavia controllabili, in definitiva aprendo nuove entusiasmanti possibilità per l'informatica quantistica.

"L'obiettivo principale del nostro studio era realizzare un sistema controllato con precisione di una grande quantità di qubit utilizzando gli spin degli atomi incorporati in un diamante, "Tim Taminiau, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, detto a Phys.org via e-mail. "Questi spin sono bit quantistici promettenti per il calcolo quantistico e le reti quantistiche, ma i risultati precedenti erano limitati a pochi qubit. La principale sfida aperta è che da un lato, tutti gli spin del sistema devono essere accoppiati insieme per funzionare come un singolo processore quantistico, ma d'altra parte, questo rende difficile controllarli selettivamente con alta precisione."

Taminiau e i suoi colleghi hanno sviluppato con successo un metodo completamente nuovo per controllare più qubit. Questa tecnica utilizza un qubit di spin elettronico per controllare selettivamente molti singoli qubit di spin nucleare, mentre contemporaneamente li disaccoppia e quindi li protegge da interazioni indesiderate nel sistema.

Usando il loro metodo, i ricercatori sono stati in grado di controllare un numero considerevolmente maggiore di spin rispetto agli studi precedenti, con una precisione straordinariamente elevata. Hanno applicato la loro tecnica a un sistema composto da 10 spin associati a un centro di azoto vacante (NV) in diamante. Questo centro NV ha uno spin dell'elettrone che fornisce un qubit che può essere letto otticamente (cioè si può determinarne il valore) e che può essere controllato con impulsi a microonde.

"Questo spin dell'elettrone si accoppia agli spin nucleari nell'ambiente, "Conor Bradley, un dottorato di ricerca studente e autore principale dello studio, spiegato. "Uno di questi spin nucleari è lo spin nucleare intrinseco dell'azoto del NV. Gli 8 qubit aggiuntivi sono spin nucleari di carbonio-13 che circondano il NV. Naturalmente circa l'1,1% degli atomi di carbonio nel diamante sono carbonio-13 e hanno uno spin, cioè possono essere usati come qubit, gli altri atomi di carbonio sono carbonio-12 e non hanno spin."

Sebbene i ricercatori abbiano applicato il loro metodo a uno specifico sistema a 10 qubit, credono che possa essere implementato anche su altri sistemi, compresi altri centri difetto in diamante e carburo di silicio, punti quantici e donatori in silicio. I qubit ospitati da questi altri sistemi hanno ciascuno i propri punti di forza per il completamento di una serie di compiti complessi.

"Il risultato principale del nostro studio è un sistema quantistico a 10 spin-qubit in grado di memorizzare informazioni quantistiche per tempi molto lunghi fino a 75 secondi, " Ha detto Taminiau. "Anche se altri ricercatori sono stati in grado di ottenere risultati simili con ioni intrappolati nel vuoto, questa combinazione di molti qubit, il controllo preciso e la memoria quantistica di lunga durata sono unici per i bit quantistici basati su chip".

Il sistema dimostrato da Taminiau e dai suoi colleghi potrebbe essere un elemento chiave per le grandi reti quantistiche in cui più centri NV, ognuno fornisce diversi qubit, sono collegati tra loro otticamente. Questa particolare capacità era già stata delineata e mostrata dai ricercatori in uno studio precedente.

"Oltre all'importanza di questo studio come dimostrazione verso sistemi di informazione quantistica più grandi, questo lavoro fornisce anche nuove intuizioni sulla decoerenza, la perdita di informazioni quantistiche, per gli spin nei solidi, " ha detto Taminiau.

I risultati raccolti da questo team di ricercatori evidenziano la fattibilità di studiare come decohere gli stati entangled di più qubit di spin, nonché come le correlazioni nell'ambiente acustico possono svolgere un ruolo vitale in questo processo. Il metodo che hanno sviluppato apre anche nuove possibilità per il rilevamento quantistico e l'imaging su scala atomica di singoli spin, dove l'obiettivo non è controllare le rotazioni ma piuttosto rilevarle, al fine di raccogliere informazioni su campioni interessanti per gli studi in chimica, biologia e scienza dei materiali.

Nelle loro ricerche future, Taminiau e i suoi colleghi hanno in programma di dimostrare una tecnica chiamata correzione degli errori quantistici. Questo particolare tipo di correzione degli errori potrebbe aiutare a superare tutte le inevitabili imperfezioni dei sistemi quantistici esistenti, consentendo infine la creazione di sistemi quantistici su larga scala.

"Ciò richiederà la codifica degli stati quantistici su molti qubit e l'esecuzione di misurazioni accurate per rilevare e correggere gli errori senza disturbare le informazioni codificate, " Ha aggiunto Taminiau. "Questo è stato finora fuori portata per qualsiasi sistema, ma i nostri risultati ora consentono di perseguire questo obiettivo utilizzando gli spin in diamante".

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