Gli scienziati dell'Istituto di Fisica dell'Università di Tartu hanno trovato un modo per sviluppare computer quantistici ottici di un nuovo tipo. Al centro della scoperta ci sono gli ioni di terre rare che hanno determinate caratteristiche e possono agire come bit quantici. Questi darebbero ai computer quantistici una velocità di calcolo ultraveloce e una migliore affidabilità rispetto alle soluzioni precedenti. I ricercatori dell'Università di Tartu Vladimir Hizhnyakov, Vadim Boltrushko, Helle Kaasik e Yurii Orlovskii hanno pubblicato i risultati delle loro ricerche sulla rivista scientifica Comunicazioni ottiche .

Mentre nei normali computer, le unità di informazione sono cifre binarie o bit, nei computer quantistici le unità sono bit o qubit quantistici. In un normale computer, le informazioni sono per lo più trasportate dall'elettricità in celle di memoria costituite da transistor ad effetto di campo, ma in un computer quantistico, a seconda del tipo di computer, i portatori di informazioni sono particelle molto più piccole, per esempio ioni, fotoni ed elettroni. Le informazioni sui qubit possono essere trasportate da una certa caratteristica di questa particella (ad esempio, spin dell'elettrone o polarizzazione del fotone), che può avere due stati. Mentre i valori di un bit ordinario sono 0 o 1, anche varianti intermedie di questi valori sono possibili nel bit quantistico. Lo stato intermedio si chiama sovrapposizione. Questa proprietà offre ai computer quantistici la capacità di risolvere compiti, che i normali computer non sono in grado di eseguire in tempi ragionevoli.

Qubit di cristalli di ioni misti

Ricercatori dell'Istituto di Fisica dell'Università di Tartu hanno dimostrato che i microcristalli, sintetizzato sulla base di matrici miste di cristalli di fluoruro ottico drogate con erbio, praseodimio e alcuni altri ioni di elementi delle terre rare, possono funzionare come qubit che consentono il calcolo quantistico ottico ultraveloce.

Professor Vladimir Hizhnyakov, membro dell'Accademia estone delle scienze, dice che quando si selezionano gli ioni, i loro stati elettronici di proprietà molto diverse sono della massima importanza. "Devono avere almeno due stati in cui l'interazione ionica è molto debole. Questi stati sono adatti per operazioni di logica quantistica di base su singoli bit quantistici. Inoltre, sono necessari uno o più stati in cui l'interazione ionica è forte:questi stati consentono operazioni di logica quantistica con due o più qubit. Tutti questi stati devono avere una durata di vita lunga (milli o microsecondi) e devono essere consentite transizioni ottiche tra questi stati, " ha spiegato Hizhnyakov.

Dice che finora, trovare tali stati elettronici di ioni di terre rare non è stato considerato possibile, ed è per questo che gli scienziati non hanno cercato tali stati adatti ai qubit tra di loro. "Finora, principalmente gli stati di spin dei nuclei atomici sono stati studiati per il ruolo dei qubit. Però, la loro frequenza è un milione di volte inferiore alla frequenza dei nostri bit quantistici. Questo è il motivo per cui anche i computer quantistici creati sulla base di questi qubit sarebbero significativamente più lenti dei computer con i nostri bit quantistici basati su stati elettronici, " Lui ha spiegato.

Maggiore velocità e meno errori

Un ciclo di lavoro ultrarapido permetterebbe, secondo Hizhnyakov, per superare uno dei principali ostacoli nella creazione di computer quantistici. I qubit sono molto sensibili al loro ambiente, ecco perché qualsiasi interferenza ambientale può portare a errori nel calcolo quantistico. "Il tempo di coerenza dei qubit, cioè la durata dello stato quantistico puro, è molto breve. Più veloce è il ciclo di calcolo, minore è l'interferenza causata dall'ambiente circostante nel lavoro dei qubit, " ha spiegato Hizhnyakov.

È stato accertato che il metodo di bruciatura del foro spettrale, sviluppato in precedenza presso l'Istituto di Fisica dell'Università di Tartu può essere utilizzato per selezionare un insieme di qubit in un microcristallo che funge da istanza di computer. Secondo Hizhnyakov, questo attualmente uno dei metodi più potenti di spettroscopia ottica, che permette di trovare quegli ioni in un microcristallo che sono i più adatti per l'uso come qubit di computer.

Sebbene sia ancora una lunga strada piena di ostacoli per un computer quantistico effettivamente funzionante, i ricercatori del laboratorio di spettroscopia laser dell'Università di Tartu hanno iniziato a costruire un prototipo pilota di computer quantistico basato sul nuovo metodo. Secondo i ricercatori, sono alle soglie di presentare il lavoro degli elementi di base del nuovo tipo di computer quantistico.

Lo studio di ricerca completato fa parte del progetto congiunto "Spettroscopia degli stati entangled di cluster di ioni di impurità di terre rare per il calcolo quantistico, " condotto dal Laboratorio di Spettroscopia Laser e dal Laboratorio di Teoria dello Stato Solido presso l'Istituto di Fisica dell'Università di Tartu.