Un gruppo di scienziati internazionali ha notevolmente allungato la durata del tempo in cui un qubit spin-orbita nel silicio può conservare le informazioni quantistiche per, aprendo un nuovo percorso per rendere i computer quantistici al silicio più scalabili e funzionali.

I qubit spin-orbita sono stati studiati per oltre un decennio come opzione per aumentare il numero di qubit in un computer quantistico, in quanto sono facili da manipolare e accoppiare su lunghe distanze. Però, hanno sempre mostrato tempi di coerenza molto limitati, troppo breve per le tecnologie quantistiche.

La ricerca pubblicata oggi su Materiali della natura mostra che sono possibili lunghi tempi di coerenza quando l'accoppiamento spin-orbita è abbastanza forte. Infatti, gli scienziati hanno dimostrato coerenza volte 10, 000 volte più lungo di quanto registrato in precedenza per i qubit spin-orbita, rendendoli un candidato ideale per l'espansione dei computer quantistici al silicio.

"Abbiamo capovolto la saggezza convenzionale dimostrando tempi di coerenza eccezionalmente lunghi - ~ 10 millisecondi - e quindi, che i qubit spin-orbita possono essere notevolmente robusti, " dice il professor Sven Rogge dell'UNSW, Investigatore Capo, Centro per il calcolo quantistico e la tecnologia della comunicazione (CQC2T), che ha guidato il gruppo di ricerca.

Un accoppiamento forte è la chiave

La stabilità di un qubit determina il periodo di tempo per il quale può conservare le informazioni quantistiche.

Nei qubit spin-orbita le informazioni sono memorizzate sullo spin dell'elettrone e sul suo movimento, come "orbita" sugli atomi nel reticolo del chip. È la forza dell'accoppiamento tra questi due spin che mantiene il qubit stabile e meno soggetto a essere distrutto dal rumore elettrico nei dispositivi.

"Le informazioni quantistiche nella maggior parte dei qubit spin-orbita sono estremamente fragili. Il nostro qubit spin-orbita è speciale perché le informazioni quantistiche memorizzate in esso sono molto robuste, " dice l'autore principale Dr. Takashi Kobayashi, che ha svolto la ricerca all'UNSW ed è ora alla Tohoku University.

"Le informazioni sono memorizzate nell'orientamento dello spin e dell'orbita dell'elettrone, non solo la rotazione. L'orbita circolare dell'elettrone carico e lo spin sono bloccati insieme come ingranaggi a causa della fortissima attrazione nell'accoppiamento spin-orbita.

"Aumentare la forza di quell'accoppiamento spin-orbita ci consente di raggiungere i tempi di coerenza significativamente più lunghi che abbiamo pubblicato oggi".

Progettare tempi di coerenza più lunghi

Per aumentare il tempo di coerenza, i ricercatori hanno prima creato qubit spin-orbita introducendo impurità, chiamati atomi droganti accettori, in un cristallo di silicio. Il team ha quindi modificato la deformazione nella struttura reticolare di silicio del chip per generare diversi livelli di accoppiamento spin-orbita.

"Il cristallo è speciale perché contiene solo l'isotopo del silicio senza spin nucleare. Questo elimina il rumore magnetico, e poiché è tesa, anche la sensibilità al rumore elettrico è ridotta." Dice Kobayashi.

"Il nostro chip è stato fissato su un materiale che a bassa temperatura allunga il silicio, come un elastico. Allungare il reticolo alla tensione corretta ci ha permesso di regolare l'accoppiamento rotazione-orbita sul valore ottimale".

Il risultato finale ha prodotto tempi di coerenza superiori a 10, 000 volte più lungo di quanto precedentemente trovato nei qubit spin-orbita.

Ciò significa che le informazioni quantistiche vengono conservate molto più a lungo, consentendo di eseguire molte più operazioni, un importante trampolino di lancio per l'espansione dei computer quantistici.

Ridimensionamento con accoppiamento spin-orbita

Affinché un computer quantistico superi le prestazioni di un computer classico, un gran numero di qubit deve lavorare insieme per eseguire calcoli complessi.

"La stabilità del nostro qubit spin-orbita ai campi elettrici è unica, dimostrando un nuovo solido percorso per realizzare computer quantistici scalabili." Dice il coautore Joe Salfi, che ha svolto la ricerca presso CQC2T ed è ora presso l'Università della British Columbia.

La scoperta in definitiva consente nuovi modi di manipolare singoli qubit e accoppiare qubit su distanze molto più grandi, che renderà il processo di fabbricazione del chip più flessibile.

L'interazione elettrica permette anche l'accoppiamento ad altri sistemi quantistici, aprendo le prospettive dei sistemi quantistici ibridi.

Ricerche precedenti pubblicate in Progressi scientifici dal team dell'UNSW ha mostrato che l'accoppiamento spin-orbita nel silicio offre molti vantaggi per la scalabilità fino a un gran numero di qubit.

"Gli spin nel silicio sono molto interessanti per i dispositivi di informazione quantistica scalabili perché sono stabili e compatibili con le attuali tecniche di elaborazione dei computer, rendendo questi dispositivi facili da produrre, "dice il prof. Rogge.

"Ora che abbiamo dimostrato lunghi tempi di coerenza, i qubit spin-orbita sono un ottimo candidato per un processore quantistico su larga scala in silicio".