Le proprietà della meccanica quantistica degli elettroni stanno iniziando ad aprire la porta a una nuova classe di sensori e computer con capacità che vanno ben oltre ciò che le loro controparti basate sulla fisica classica possono realizzare. Gli stati quantistici sono notoriamente difficili da leggere o scrivere, però, e per peggiorare le cose, l'incertezza sulle condizioni di partenza di quegli stati può rendere gli esperimenti più laboriosi o addirittura impossibili.

Ora, Penn Engineers ha ideato un sistema per ripristinare quelle condizioni di partenza, provali per vedere se sono corretti, e avvia automaticamente l'esperimento se lo sono, tutto in una manciata di microsecondi.

Questa nuova "procedura di inizializzazione" farà risparmiare ai ricercatori quantistici il tempo e lo sforzo di ripetere gli esperimenti per tenere conto statisticamente degli stati di partenza incerti, e consentire l'esecuzione di nuovi tipi di misurazioni che richiedono condizioni di partenza esatte.

Lee Basset, ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e dei Sistemi e direttore del Laboratorio di Ingegneria Quantistica, insieme ai membri del laboratorio David Hopper e Joseph Lauigan, ha condotto un recente studio che dimostra questa nuova procedura di inizializzazione. Anche il membro del laboratorio Tzu-Yung Huang ha contribuito allo studio.

È stato pubblicato sulla rivista Revisione fisica applicata .

"L'inizializzazione è una delle chiavi, requisiti fondamentali per eseguire quasi tutti i tipi di elaborazione delle informazioni quantistiche, "Dice Bassett. "Devi essere in grado di impostare in modo deterministico il tuo stato quantico prima di poter fare qualcosa di utile con esso, ma lo sporco piccolo segreto è che, in quasi tutte le architetture quantistiche, che l'inizializzazione non è perfetta."

"Qualche volta, "Hopper dice, "possiamo accettare questa incertezza, e eseguendo un protocollo sperimentale molte migliaia di volte, fornire una misurazione di cui alla fine siamo fiduciosi. Ma ci sono altri esperimenti che vorremmo fare in cui questo tipo di media su più esecuzioni non funzionerà".

Il particolare tipo di incertezza che i ricercatori hanno studiato ha a che fare con un sistema quantistico comunemente usato noto come centro di azoto vacante (NV) nel diamante. Questi centri NV sono difetti che si verificano naturalmente all'interno del diamante, dove il reticolo regolare degli atomi di carbonio è occasionalmente interrotto da un atomo di azoto e da un punto vuoto accanto. Le nuvole di elettroni degli atomi vicini si sovrappongono in questo spazio vuoto, creare una "molecola intrappolata" nel diamante che può essere sondata con un laser, consentendo ai ricercatori di misurare, o alterare, la proprietà quantistica degli elettroni nota come "spin".

Gli elettroni intrappolati in un centro NV formano un "qubit" - l'unità di base dell'informazione quantistica - che può essere usato per rilevare campi locali, memorizzare stati di sovrapposizione quantistica, e persino eseguire calcoli quantistici.

"Gli elettroni sono eccellenti sensori magnetici, "Bassett dice, "e possono persino rilevare i minuscoli campi magnetici associati ai nuclei di carbonio che circondano il difetto. Quei nuclei possono fungere essi stessi da qubit ed essere controllati usando l'elettrone centrale per costruire gli stati quantistici entangled che costituiscono la base dei computer quantistici. Inoltre accoppiano ai fotoni, che vengono utilizzati per trasmettere informazioni quantistiche su lunghe distanze. Quindi i centri NV fondono davvero le tre aree principali della scienza quantistica:rilevamento, comunicazione e calcolo”.

Per quanto promettenti siano i centri NV, i ricercatori devono ancora fare i conti con una variabile incerta:il numero di elettroni che sono intrappolati al centro NV quando inizia un esperimento, poiché gli elettroni possono entrare e uscire dal difetto quando viene illuminato con un laser. Una procedura di inizializzazione che garantisca ogni volta un numero prevedibile di elettroni ridurrebbe il tempo necessario per eseguire con successo un esperimento, o abilitare esperimenti in cui le condizioni di partenza incerte non possono essere corrette statisticamente a posteriori.

"Il centro NV è come una scatola con dentro una moneta, " Dice Lauigan. "Se vogliamo fare il nostro esperimento solo quando la moneta è sulla testa, dobbiamo scuotere la scatola, controlla la moneta, e ripetiamo finché non troviamo che è atterrato nel modo giusto. Questa è la procedura di inizializzazione."

Per eseguire questa inizializzazione, i ricercatori hanno utilizzato un paio di laser, rivelatori di fotoni e hardware specializzato in grado di gestire i tempi precisi necessari.

"Facciamo brillare un laser verde al centro NV, che fondamentalmente "lancia la moneta" e mescola il numero di elettroni intrappolati nel difetto, " dice Hopper. "Poi entriamo con un laser rosso, e a seconda del numero di elettroni che ci sono, il difetto emetterà un fotone o rimarrà scuro."

"Una volta che rileviamo il fotone che ci dice che il numero giusto di elettroni è nel difetto, circuiti specializzati avviano automaticamente l'esperimento, " dice Huang. "Tutto questo accade in circa 500 nanosecondi; non c'è tempo per far analizzare il segnale da un normale computer, quindi tutto deve accadere su questi chip specializzati chiamati array di porte programmabili sul campo".

I ricercatori hanno sfruttato la potenza dell'elettronica classica avanzata per controllare meglio un particolare sistema di rilevamento quantistico. Hanno mostrato che, grazie a condizioni di partenza ideali, il loro dispositivo è in grado di rilevare un minuscolo campo magnetico oscillante di soli 1,3 nanotesla in un secondo di misurazioni, che è un record di sensibilità per i sensori quantistici a temperatura ambiente basati su singoli centri NV.

La procedura di inizializzazione dei ricercatori può anche aiutare ad accelerare i progressi su nuove architetture quantistiche per il calcolo e la comunicazione. Il diamante è tipicamente composto da due isotopi stabili di carbonio, carbonio-12 e carbonio-13. Il primo è il più comune, ma ogni pochi decimi di nanometro, c'è un atomo di quest'ultimo. E poiché il carbonio-13 ha un neutrone in più, mostra spin nucleare e può essere usato come qubit.

Un centro NV può essere una "maniglia" per controllare quei qubit di spin nucleare in un computer quantistico, ma in questa situazione la capacità di inizializzare con precisione il suo stato diventa cruciale. Gli errori associati a una scarsa inizializzazione si moltiplicano, e diventa rapidamente impossibile eseguire un calcolo complesso. Il tipo di misurazione e controllo in tempo reale utilizzato dal team in questo lavoro è un passo importante verso l'implementazione di protocolli di correzione degli errori più sofisticati in questi dispositivi quantistici.

A breve termine, la migliorata capacità di rilevamento sarà utile nel determinare le posizioni degli atomi di carbonio-13 nel reticolo del diamante.

"Trovare tutti quegli speciali atomi di carbonio è un processo laborioso, poiché ci sono tanti atomi e ogni misurazione richiede molto tempo, " dice Hopper. "Quando abbiamo iniziato questo progetto, il nostro obiettivo era vedere cosa stava facendo impiegare così tanto tempo a quelle misurazioni e se c'era un modo per accorciarle".