computer quantistici, che funzionano secondo le strane regole della meccanica quantistica, possa un giorno rivoluzionare il mondo. Una volta che siamo riusciti a costruire una potente macchina da lavoro, sarà in grado di risolvere alcuni problemi che i computer di oggi impiegano milioni di anni per essere elaborati.

I computer utilizzano bit (zero o uno) per codificare le informazioni. I computer quantistici usano "qubit", che possono assumere qualsiasi valore compreso tra zero e uno, dando loro un'enorme potenza di elaborazione. Ma i sistemi quantistici sono notoriamente fragili, e sebbene siano stati fatti progressi per costruire macchine funzionanti per alcune applicazioni proposte, il compito resta difficile. Ma un nuovo approccio, spintronica molecolare soprannominata, offre nuova speranza.

Nel 1997, i fisici teorici Daniel Loss e David DiVincenzo hanno stabilito le regole generali necessarie per creare un computer quantistico. Mentre i normali dispositivi elettronici utilizzano la carica elettrica per rappresentare le informazioni come zero e uno, i computer quantistici usano spesso gli stati di "spin" degli elettroni per rappresentare i qubit.

Lo spin è una quantità fondamentale che abbiamo imparato attraverso la meccanica quantistica. Sfortunatamente, manca una controparte accurata nell'esperienza quotidiana, anche se a volte viene usata l'analogia di un pianeta che ruota sul proprio asse.

Sappiamo che gli elettroni ruotano in due diverse direzioni o "stati" (soprannominati su e giù). Secondo la meccanica quantistica, ogni elettrone in un materiale ruota in una combinazione (sovrapposizione) di questi stati:un po' verso l'alto e un po' verso il basso. È così che puoi ottenere così tanti valori anziché solo zero o uno.

Tra i cinque requisiti per la costruzione di un computer quantistico sviluppato da Loss e DiVincenzo c'era la possibilità di ampliare il sistema. Più qubit significano più potenza. Un altro era far sopravvivere le informazioni per un ragionevole lasso di tempo una volta codificate, mentre altri riguardavano l'inizializzazione, manipolazione e lettura del sistema fisico.

Sebbene originariamente concepito per un computer quantistico basato su spin di elettroni in minuscole particelle di semiconduttori, la proposta è stata ora implementata su molti sistemi fisici, compresi gli ioni intrappolati, superconduttori e diamanti.

Ma, Sfortunatamente, questi richiedono un vuoto quasi perfetto, temperature estremamente basse e nessun disturbo al funzionamento. Sono anche difficili da scalare.

Spintronica molecolare

La spintronica è una forma di elettronica basata sulla rotazione piuttosto che sulla carica. Lo spin può essere misurato perché genera minuscoli campi magnetici. Questa tecnologia, che spesso utilizza semiconduttori per manipolare e misurare lo spin, ha già avuto un enorme impatto sul miglioramento dell'archiviazione delle informazioni sul disco rigido.

Ora, gli scienziati si stanno rendendo conto che la spintronica può essere eseguita anche in molecole organiche contenenti anelli di atomi di carbonio. E questo lo collega a un altro campo di ricerca chiamato elettronica molecolare, che mira a costruire dispositivi elettronici da singole molecole e film di molecole.

La combinazione si è rivelata utile. Controllando e manipolando attentamente lo spin di un elettrone all'interno di una molecola, si scopre che possiamo effettivamente fare calcoli quantistici. La preparazione e la lettura dello stato di spin dell'elettrone sulle molecole avviene mediante zapping con campi elettrici o magnetici.

Le molecole organiche a base di carbonio e i semiconduttori polimerici affrontano anche i criteri di facilità di scalabilità. Lo fanno attraverso la capacità di formare strutture molecolari, all'interno del quale i qubit molecolari siedono in stretta prossimità l'uno con l'altro. La minuscola dimensione di una singola molecola favorisce automaticamente il confezionamento di un gran numero di molecole insieme su un piccolo chip.

Inoltre, i materiali organici disturbano gli spin quantistici meno di altri materiali elettronici. Questo perché sono composti da elementi relativamente leggeri come carbonio e idrogeno, con conseguenti interazioni più deboli con gli elettroni rotanti. Questo evita che i suoi giri si capovolgano facilmente, causandone la conservazione per lunghi periodi fino a diversi microsecondi.

In una molecola a forma di elica, questa durata può arrivare anche a un millisecondo. Questi tempi relativamente lunghi sono sufficienti per l'esecuzione delle operazioni, altro grande vantaggio.

Sfide rimanenti

Ma abbiamo ancora molto da imparare. Oltre a capire cosa causa tempi di vita prolungati di spin sulle molecole organiche, una comprensione di quanto lontano possono viaggiare questi spin all'interno dei circuiti organici è necessaria per costruire circuiti elettronici efficienti basati sugli spin. La figura seguente mostra alcuni dei nostri concetti per dispositivi spintronici organici esplorativi verso questo obiettivo.

Ci sono anche grandi sfide nel far funzionare in modo efficiente tali dispositivi. Gli elettroni carichi che trasportano gli spin in un materiale organico saltano costantemente da una molecola all'altra mentre si muovono. Questa attività saltellante è purtroppo una fonte di rumore elettrico, rendendo difficile misurare elettricamente piccole firme di corrente di spin utilizzando architetture convenzionali. Detto ciò, una tecnica relativamente nuova nota come spin pumping potrebbe rivelarsi adatta per generare correnti di spin con basso rumore in materiali organici.

Un altro problema quando si cerca di rendere le molecole organiche dei candidati seri all'interno delle future tecnologie quantistiche è la capacità di controllare e misurare coerentemente gli spin su singole molecole, o su un piccolo numero di molecole. Questa grande sfida sta attualmente vedendo enormi progressi. Per esempio, un semplice programma per un computer quantistico noto come "algoritmo di ricerca di Grover" è stato recentemente implementato su una singola molecola magnetica. È noto che questo algoritmo riduce notevolmente il tempo necessario per eseguire una ricerca su un database non ordinato.

In un altro rapporto, un insieme di molecole è stato integrato con successo in un dispositivo superconduttore ibrido. Ha fornito una prova del concetto nella combinazione di qubit di spin molecolare con architetture quantistiche esistenti.

Molto resta da fare, ma allo stato attuale delle cose i sistemi di spin molecolare stanno trovando rapidamente diverse nuove applicazioni nelle tecnologie quantistiche. Con il vantaggio di piccole dimensioni e rotazioni di lunga durata, è solo una questione di tempo prima che consolidino il loro posto nella tabella di marcia per le tecnologie quantistiche.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.