Se possiamo sfruttarlo, la tecnologia quantistica promette nuove fantastiche possibilità. Ma prima, gli scienziati devono convincere i sistemi quantistici a rimanere aggiogati per più di pochi milionesimi di secondo.

Un team di scienziati della Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago ha annunciato la scoperta di una semplice modifica che consente ai sistemi quantistici di rimanere operativi, o "coerenti",10, 000 volte più lungo di prima. Sebbene gli scienziati abbiano testato la loro tecnica su una particolare classe di sistemi quantistici chiamati qubit a stato solido, pensano che dovrebbe essere applicabile a molti altri tipi di sistemi quantistici e potrebbe quindi rivoluzionare la comunicazione quantistica, calcolo e rilevamento.

Lo studio è stato pubblicato il 13 agosto in Scienza .

"Questa svolta pone le basi per nuove entusiasmanti vie di ricerca nella scienza quantistica, ", ha affermato l'autore principale dello studio David Awschalom, il Professore della Famiglia Liew in Ingegneria Molecolare, scienziato senior presso l'Argonne National Laboratory e direttore del Chicago Quantum Exchange. "L'ampia applicabilità di questa scoperta, insieme a un'implementazione straordinariamente semplice, consente a questa solida coerenza di avere un impatto su molti aspetti dell'ingegneria quantistica. Consente nuove opportunità di ricerca precedentemente ritenute impraticabili".

Giù al livello degli atomi, il mondo funziona secondo le regole della meccanica quantistica, molto diverse da ciò che vediamo intorno a noi nella nostra vita quotidiana. Queste diverse regole potrebbero tradursi in tecnologie come reti virtualmente inattaccabili o computer estremamente potenti; il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha pubblicato un progetto per il futuro Internet quantistico in un evento a UChicago il 23 luglio. Ma rimangono sfide ingegneristiche fondamentali:gli stati quantistici hanno bisogno di un ambiente estremamente silenzioso, spazio stabile per operare, in quanto sono facilmente disturbati da rumori di fondo provenienti da vibrazioni, variazioni di temperatura o campi elettromagnetici vaganti.

Così, gli scienziati cercano di trovare modi per mantenere il sistema coerente il più a lungo possibile. Un approccio comune consiste nell'isolare fisicamente il sistema dall'ambiente rumoroso, ma questo può essere ingombrante e complesso. Un'altra tecnica consiste nel rendere tutti i materiali il più puri possibile, che può essere costoso. Gli scienziati di UChicago hanno adottato una strategia diversa.

"Con questo approccio, non cerchiamo di eliminare il rumore nell'ambiente circostante; Invece, "inganniamo" il sistema facendogli credere che non subisca il rumore, ", ha affermato il ricercatore post-dottorato Kevin Miao, il primo autore del saggio.

In tandem con i soliti impulsi elettromagnetici utilizzati per controllare i sistemi quantistici, il team ha applicato un ulteriore campo magnetico alternato continuo. Sintonizzando con precisione questo campo, gli scienziati potrebbero ruotare rapidamente gli spin degli elettroni e consentire al sistema di "sintonizzarsi" sul resto del rumore.

"Per avere un'idea del principio, è come sedersi su una giostra con persone che urlano intorno a te, "Miao ha spiegato. "Quando la corsa è ancora, li puoi sentire perfettamente, ma se stai girando rapidamente, il rumore sfuma in uno sfondo."

Questo piccolo cambiamento ha permesso al sistema di rimanere coerente fino a 22 millisecondi, quattro ordini di grandezza in più rispetto a senza la modifica e molto più a lungo di qualsiasi sistema di spin elettronico precedentemente riportato. (Per confronto, un battito di ciglia impiega circa 350 millisecondi). Il sistema è in grado di sintonizzare quasi completamente alcune forme di fluttuazioni di temperatura, vibrazioni fisiche, e rumore elettromagnetico, tutto ciò di solito distruggono la coerenza quantistica.

La semplice soluzione potrebbe sbloccare scoperte praticamente in ogni area della tecnologia quantistica, hanno detto gli scienziati.

"Questo approccio crea un percorso verso la scalabilità, ", ha detto Awschalom. "Dovrebbe rendere pratica la memorizzazione delle informazioni quantistiche nello spin degli elettroni. I tempi di archiviazione estesi consentiranno operazioni più complesse nei computer quantistici e consentiranno alle informazioni quantistiche trasmesse da dispositivi basati su spin di percorrere distanze più lunghe nelle reti".

Sebbene i loro test siano stati eseguiti in un sistema quantistico a stato solido utilizzando carburo di silicio, gli scienziati ritengono che la tecnica dovrebbe avere effetti simili in altri tipi di sistemi quantistici, come bit quantistici superconduttori e sistemi quantistici molecolari. Questo livello di versatilità è insolito per una tale svolta ingegneristica.

"Ci sono molti candidati per la tecnologia quantistica che sono stati messi da parte perché non potevano mantenere la coerenza quantistica per lunghi periodi di tempo, "Miao ha detto. "Questi potrebbero essere rivalutati ora che abbiamo questo modo per migliorare in modo massiccio la coerenza.

"La parte migliore è, è incredibilmente facile da fare, " ha aggiunto. "La scienza dietro è intricata, ma la logistica dell'aggiunta di un campo magnetico alternato è molto semplice".