In una serie di documenti, I ricercatori di Rochester riportano importanti progressi nel miglioramento del trasferimento di informazioni nei sistemi quantistici.

La scienza quantistica ha il potenziale per rivoluzionare la tecnologia moderna con computer più efficienti, comunicazione, e dispositivi di rilevamento. Ma rimangono sfide nel raggiungimento di questi obiettivi tecnologici, soprattutto quando si tratta di trasferire efficacemente le informazioni nei sistemi quantistici.

I bit vengono utilizzati per rappresentare le informazioni nei normali computer. computer quantistici, d'altra parte, si basano su bit quantistici, noto anche come qubit, che può essere prodotto da un singolo elettrone.

A differenza dei normali transistor, che può essere "0" (spento) o "1" (acceso), i qubit possono essere sia "0" che "1" allo stesso tempo. La capacità dei singoli qubit di occupare questi cosiddetti stati di sovrapposizione, dove si trovano in più stati contemporaneamente, alla base del grande potenziale dei computer quantistici. Proprio come i normali computer, però, I computer quantistici hanno bisogno di un modo per trasferire le informazioni quantistiche tra qubit distanti e questo rappresenta una grande sfida sperimentale.

In una serie di articoli pubblicati in Comunicazioni sulla natura , ricercatori dell'Università di Rochester, compreso John Nichol, un assistente professore di fisica e astronomia, e studenti laureati Yadav Kandel e Haifeng Qiao, i principali autori degli articoli, riportare importanti passi avanti nel miglioramento dell'informatica quantistica migliorando il trasferimento di informazioni tra gli elettroni nei sistemi quantistici.

In un documento, i ricercatori hanno dimostrato un percorso di trasferimento di informazioni tra qubit, chiamato trasferimento di stato quantistico adiabatico (AQT), per la prima volta con qubit di spin elettronico. A differenza della maggior parte dei metodi di trasferimento di informazioni tra qubit, che si basano su impulsi di campo elettrico o magnetico accuratamente sintonizzati, AQT non è così influenzato da errori di impulso e rumore.

Per immaginare come funziona AQT, immagina di guidare la tua auto e di volerla parcheggiare. Se non tiri i freni al momento giusto, la macchina non sarà dove la vuoi, con potenziali conseguenze negative. In questo senso, gli impulsi di controllo - i pedali del gas e del freno - alla macchina devono essere sintonizzati con attenzione. AQT è diverso in quanto non importa quanto a lungo si premono i pedali o quanto li si prema:l'auto finirà sempre nel posto giusto. Di conseguenza, AQT ha il potenziale per migliorare il trasferimento di informazioni tra qubit, che è essenziale per il networking quantistico e la correzione degli errori.

I ricercatori hanno dimostrato l'efficacia di AQT sfruttando l'entanglement, uno dei concetti di base della fisica quantistica in cui le proprietà di una particella influenzano le proprietà di un'altra, anche quando le particelle sono separate da una grande distanza. I ricercatori sono stati in grado di utilizzare l'AQT per trasferire lo stato di spin quantistico di un elettrone attraverso una catena di quattro elettroni in punti quantici di semiconduttori:minuscoli, semiconduttori su scala nanometrica con proprietà notevoli. Questa è la catena più lunga su cui sia mai stato trasferito uno stato di spin, legando il record stabilito dai ricercatori in un precedente Natura carta.

"Poiché AQT è robusto contro gli errori di impulso e il rumore, e a causa delle sue principali applicazioni potenziali nell'informatica quantistica, questa dimostrazione è una pietra miliare per il calcolo quantistico con spin qubit, "dice Nicola.

Sfruttare uno strano stato della materia

In un secondo documento, i ricercatori hanno dimostrato un'altra tecnica di trasferimento di informazioni tra qubit, usando uno stato esotico della materia chiamato cristalli del tempo. Un cristallo temporale è uno strano stato della materia in cui le interazioni tra le particelle che compongono il cristallo possono stabilizzare le oscillazioni del sistema nel tempo indefinitamente. Immagina un orologio che continua a ticchettare per sempre; il pendolo dell'orologio oscilla nel tempo, proprio come il cristallo del tempo oscillante.

Implementando una serie di impulsi di campo elettrico sugli elettroni, i ricercatori sono stati in grado di creare uno stato simile a un cristallo temporale. Hanno scoperto che potevano sfruttare questo stato per migliorare il trasferimento dello stato di spin di un elettrone in una catena di punti quantici di semiconduttori.

"Il nostro lavoro muove i primi passi per mostrare come gli stati strani ed esotici della materia, come i cristalli del tempo, può potenzialmente essere utilizzato per applicazioni di elaborazione delle informazioni quantistiche, come il trasferimento di informazioni tra qubit, " Dice Nichol. "In teoria mostriamo anche come questo scenario può implementare altre operazioni a singolo e multi-qubit che potrebbero essere utilizzate per migliorare le prestazioni dei computer quantistici".

Sia AQT che cristalli temporali, mentre diverso, potrebbero essere utilizzati contemporaneamente ai sistemi di calcolo quantistico per migliorare le prestazioni.

"Questi due risultati illustrano i modi strani e interessanti in cui la fisica quantistica consente di inviare informazioni da un luogo all'altro, che è una delle principali sfide nella costruzione di computer quantistici e reti praticabili, "dice Nicola.