I ricercatori hanno utilizzato con successo le onde sonore per controllare le informazioni quantistiche in un singolo elettrone, un passo significativo verso l'efficienza, robusti computer quantistici realizzati con semiconduttori.

La squadra internazionale, tra cui ricercatori dell'Università di Cambridge, ha inviato onde sonore ad alta frequenza attraverso un dispositivo a semiconduttore modificato per dirigere il comportamento di un singolo elettrone, con efficienze superiori al 99%. I risultati sono riportati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Un computer quantistico sarebbe in grado di risolvere problemi computazionali precedentemente irrisolvibili sfruttando lo strano comportamento delle particelle su scala subatomica, e fenomeni quantistici come l'entanglement e la sovrapposizione. Però, controllare con precisione il comportamento delle particelle quantistiche è un compito immane.

"Ciò che renderebbe un computer quantistico così potente è la sua capacità di scalare in modo esponenziale, " ha detto il co-autore Hugo Lepage, un dottorato di ricerca candidato al Cavendish Laboratory di Cambridge, che ha svolto il lavoro teorico per lo studio in corso. "In un computer classico, per raddoppiare la quantità di informazioni devi raddoppiare il numero di bit. Ma in un computer quantistico, avresti solo bisogno di aggiungere un altro bit quantico, o qubit, raddoppiare le informazioni".

Lo scorso mese, i ricercatori di Google hanno affermato di aver raggiunto la "supremazia quantistica", il punto in cui un computer quantistico può eseguire calcoli oltre la capacità dei supercomputer più potenti. Però, i computer quantistici che Google, IBM e altri stanno sviluppando si basano su circuiti superconduttori, che sono circuiti complessi e, come tutti i sistemi quantistici, sono molto fragili.

"La più piccola fluttuazione o deviazione corromperà l'informazione quantistica contenuta nelle fasi e nelle correnti dei circuiti, " ha detto Lepage. "Questa è ancora una tecnologia molto nuova e l'espansione oltre la scala intermedia potrebbe richiedere di scendere al livello della singola particella".

Invece di circuiti superconduttori, le informazioni quantistiche nel computer quantistico Lepage e i suoi colleghi stanno escogitando l'uso dello "spin" di un elettrone, il suo momento angolare intrinseco, che può essere su o giù, per memorizzare informazioni quantistiche.

"Sfruttare lo spin per alimentare un computer quantistico funzionante è un approccio più scalabile rispetto all'utilizzo della superconduttività, e crediamo che l'uso dello spin potrebbe portare a un computer quantistico che è molto più robusto, poiché le interazioni di spin sono stabilite dalle leggi della natura, " ha detto Lepage.

L'uso dello spin consente di integrare più facilmente le informazioni quantistiche con i sistemi esistenti. Il dispositivo sviluppato nel lavoro attuale si basa su semiconduttori ampiamente utilizzati con alcune modifiche minori.

Il dispositivo, che è stato testato sperimentalmente dai coautori di Lepage dell'Institut Néel, misura solo pochi milionesimi di metro. I ricercatori hanno posato porte metalliche su un semiconduttore e applicato una tensione, che ha generato un campo elettrico complesso. I ricercatori hanno quindi diretto le onde sonore ad alta frequenza sul dispositivo, facendolo vibrare e distorcere, come un piccolo terremoto. Mentre le onde sonore si propagano, intrappolano gli elettroni, spingendoli attraverso il dispositivo in modo molto preciso, come se gli elettroni 'navigassero' sulle onde sonore.

I ricercatori sono stati in grado di controllare il comportamento di un singolo elettrone con un'efficienza del 99,5%. "Controllare un singolo elettrone in questo modo è già difficile, ma per arrivare a un punto in cui possiamo avere un computer quantistico funzionante, dobbiamo essere in grado di controllare più elettroni, che diventano esponenzialmente più difficili quando i qubit iniziano a interagire tra loro, " ha detto Lepage.

Nei prossimi mesi, i ricercatori inizieranno a testare il dispositivo con più elettroni, che avvicinerebbe di un altro passo un computer quantistico funzionante.