Un team di ricerca russo-tedesco ha creato un sensore quantistico che consente l'accesso alla misurazione e alla manipolazione di singoli difetti a due livelli nei qubit. Lo studio di NUST MISIS, Centro quantistico russo e l'Istituto di tecnologia di Karlsruhe, pubblicato in npj Informazioni quantistiche , potrebbe aprire la strada all'informatica quantistica.

Nel calcolo quantistico le informazioni sono codificate in qubit. Qubit (o bit quantici), l'analogo meccanico quantistico di un bit classico, sono sistemi coerenti a due livelli. Una delle principali modalità di qubit oggi sono i qubit superconduttori basati sulla giunzione Josephson. Questo è il tipo di qubit che IBM e Google utilizzano nei loro processori quantistici. Però, gli scienziati stanno ancora cercando il qubit perfetto, uno che possa essere misurato e controllato con precisione, pur rimanendo inalterato dal suo ambiente.

L'elemento chiave di un qubit superconduttore è la giunzione Josephson superconduttore-isolante-superconduttore su scala nanometrica. Una giunzione Josephson è una giunzione a tunnel costituita da due pezzi di metallo superconduttore separati da una barriera isolante molto sottile. L'isolante più comunemente usato è l'ossido di alluminio.

Le tecniche moderne non consentono di costruire un qubit con una precisione del 100%, risultando nei cosiddetti difetti di tunneling a due livelli che limitano le prestazioni dei dispositivi quantistici superconduttori e causano errori di calcolo. Questi difetti contribuiscono alla durata estremamente breve di un qubit, o decoerenza.

I difetti di tunneling nell'ossido di alluminio e sulle superfici dei superconduttori sono un'importante fonte di fluttuazioni e perdite di energia nei qubit superconduttori, limitando infine il tempo di esecuzione del computer. Più si verificano difetti materiali, più influiscono sulle prestazioni del qubit, causando più errori di calcolo, hanno notato i ricercatori.

Il nuovo sensore quantistico consente l'accesso alla misurazione e alla manipolazione di singoli difetti a due livelli nei sistemi quantistici. Secondo il prof. Alexey Ustinov, Capo del Laboratorio per i Metamateriali Superconduttori presso NUST MISIS e Capo Gruppo presso il Russian Quantum Center, chi ha co-autore dello studio, il sensore stesso è un qubit superconduttore, e consente il rilevamento e la manipolazione dei singoli difetti. Tecniche tradizionali per lo studio della struttura dei materiali, come lo scattering di raggi X a piccolo angolo (SAXS), non sono abbastanza sensibili da individuare piccoli difetti individuali, quindi l'utilizzo di tali tecniche non aiuterà a costruire il miglior qubit. Lo studio potrebbe aprire strade alla spettroscopia quantistica dei materiali per studiare la struttura dei difetti di tunneling e sviluppare dielettrici a bassa perdita che sono urgentemente necessari per il progresso dei computer quantistici superconduttori, i ricercatori credono.