Dopo decenni di miniaturizzazione, i componenti elettronici su cui abbiamo fatto affidamento per i computer e le moderne tecnologie stanno ora iniziando a raggiungere limiti fondamentali. Di fronte a questa sfida, ingegneri e scienziati di tutto il mondo si stanno orientando verso un paradigma radicalmente nuovo:le tecnologie dell'informazione quantistica.

Tecnologia quantistica, che imbriglia le strane regole che governano le particelle a livello atomico, normalmente è considerato troppo delicato per coesistere con l'elettronica che usiamo ogni giorno nei telefoni, computer portatili e automobili. Però, gli scienziati della Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago hanno annunciato una svolta significativa:gli stati quantistici possono essere integrati e controllati in dispositivi elettronici comunemente usati realizzati in carburo di silicio.

"La capacità di creare e controllare bit quantistici ad alte prestazioni nell'elettronica commerciale è stata una sorpresa, " ha detto il capo investigatore David Awschalom, il Professore della Famiglia Liew in Ingegneria Molecolare presso UChicago e un pioniere nella tecnologia quantistica. "Queste scoperte hanno cambiato il modo in cui pensiamo allo sviluppo di tecnologie quantistiche:forse possiamo trovare un modo per utilizzare l'elettronica di oggi per costruire dispositivi quantistici".

In due articoli pubblicati in Scienza e Progressi scientifici , Il gruppo di Awschalom ha dimostrato di poter controllare elettricamente gli stati quantistici incorporati nel carburo di silicio. La svolta potrebbe offrire un mezzo per progettare e costruire più facilmente l'elettronica quantistica, in contrasto con l'utilizzo di materiali esotici che gli scienziati di solito devono utilizzare per esperimenti quantistici, come i metalli superconduttori, atomi levitati o diamanti.

Questi stati quantistici nel carburo di silicio hanno l'ulteriore vantaggio di emettere singole particelle di luce con una lunghezza d'onda vicina alla banda delle telecomunicazioni. "Questo li rende adatti alla trasmissione a lunga distanza attraverso la stessa rete in fibra ottica che già trasporta il 90% di tutti i dati internazionali in tutto il mondo, " disse Awschalom, scienziato senior presso l'Argonne National Laboratory e direttore del Chicago Quantum Exchange.

Inoltre, queste particelle di luce possono acquisire nuove proprietà entusiasmanti se combinate con l'elettronica esistente. Per esempio, nel documento Science Advances, il team è stato in grado di creare quella che Awschalom ha chiamato una "radio FM quantistica"; allo stesso modo in cui la musica viene trasmessa all'autoradio, le informazioni quantistiche possono essere inviate su distanze estremamente lunghe.

"Tutta la teoria suggerisce che per ottenere un buon controllo quantistico in un materiale, dovrebbe essere puro e privo di campi fluttuanti, " ha detto lo studente laureato Kevin Miao, primo autore sulla carta. "I nostri risultati suggeriscono che con una progettazione adeguata, un dispositivo può non solo mitigare quelle impurità, ma anche creare ulteriori forme di controllo che prima non erano possibili".

Nella rivista Science, descrivono una seconda svolta che affronta un problema molto comune nella tecnologia quantistica:il rumore.

"Le impurità sono comuni in tutti i dispositivi a semiconduttore, e a livello quantistico, queste impurità possono confondere le informazioni quantistiche creando un ambiente elettrico rumoroso, " ha detto lo studente laureato Chris Anderson, un co-primo autore sulla carta. "Questo è un problema quasi universale per le tecnologie quantistiche".

Ma, utilizzando uno degli elementi fondamentali dell'elettronica:il diodo, un interruttore unidirezionale per gli elettroni:il team ha scoperto un altro risultato inaspettato:il segnale quantistico è diventato improvvisamente privo di rumore ed era quasi perfettamente stabile.

"Nei nostri esperimenti abbiamo bisogno di usare i laser, che sfortunatamente spingono gli elettroni intorno. È come un gioco di sedie musicali con gli elettroni; quando la luce si spegne tutto si ferma, ma in una configurazione diversa, " ha detto lo studente laureato Alexandre Bourassa, l'altro co-primo autore sulla carta. "Il problema è che questa configurazione casuale di elettroni influisce sul nostro stato quantico. Ma abbiamo scoperto che l'applicazione di campi elettrici rimuove gli elettroni dal sistema e lo rende molto più stabile".

Integrando la strana fisica della meccanica quantistica con la tecnologia dei semiconduttori classica ben sviluppata, Awschalom e il suo gruppo stanno aprendo la strada alla prossima rivoluzione della tecnologia quantistica.

"Questo lavoro ci avvicina di un passo alla realizzazione di sistemi in grado di archiviare e distribuire informazioni quantistiche attraverso le reti in fibra ottica del mondo, " Awschalom ha detto. "Tali reti quantistiche porterebbero a una nuova classe di tecnologie che consentono la creazione di canali di comunicazione non hackerabili, il teletrasporto di stati di singoli elettroni e la realizzazione di un internet quantistico."