Autore principale, Philip Gregory insieme ai laser utilizzati per raffreddare gli atomi di Rb e Cs ultrafreddi prima di formare molecole di RbC. Credito:Gregory et al.
Le molecole hanno una struttura molto intricata e ricca, che consente loro di ruotare e vibrare liberamente. Di conseguenza, hanno uno spazio quasi illimitato in cui gli scienziati informatici possono codificare le informazioni quantistiche. Oltre al loro vasto spazio interno, le molecole sono capaci di interazioni a lungo raggio e potrebbero quindi essere impigliate ad altre molecole separate.
Grazie a queste vantaggiose qualità, molti ingegneri e fisici hanno studiato il potenziale uso delle molecole per applicazioni di calcolo quantistico. Mentre alcuni computer quantistici basati su molecole hanno ottenuto risultati promettenti, gli scienziati hanno scoperto che i qubit immagazzinati nelle molecole sono suscettibili alla decoerenza (cioè, una perdita di informazioni che viaggia da un sistema quantistico all'ambiente circostante).
I ricercatori della Durham University nel Regno Unito hanno recentemente condotto uno studio volto a studiare il potenziale di immagazzinare informazioni quantistiche in molecole polari ultrafredde. Nella loro carta, pubblicato in Fisica della natura , il team ha dimostrato con successo l'immagazzinamento dei qubit nelle molecole limitando la decoerenza, che potrebbe avere importanti implicazioni per lo sviluppo di strumenti di calcolo quantistico.
"Una delle grandi sfide che devono affrontare tutte le piattaforme di calcolo quantistico è lo sviluppo di metodi di ingegneria che evitino la perdita di informazioni quantistiche attraverso la decoerenza, " Philip D. Gregory e Simon L. Cornish, due dei ricercatori che hanno condotto lo studio, detto a Phys.org via e-mail. "Il nostro obiettivo primario era quindi dimostrare che le informazioni quantistiche potevano essere conservate in una molecola per tempi eccezionalmente lunghi, affrontando così uno dei requisiti per la costruzione di un computer quantistico utilizzando molecole ultrafredde".
L'obiettivo primario del recente lavoro di Gregory, Cornish e i loro colleghi doveva identificare, comprendere e infine eliminare tutte le fonti di decoerenza sperimentalmente rilevanti nei qubit memorizzati nelle molecole. Inizialmente, il team ha misurato la coerenza nel loro sistema quantistico utilizzando una tecnica nota come interferometria di Ramsey a diversi stati del qubit. Hanno quindi preparato una sovrapposizione degli stati dei qubit utilizzando le microonde e hanno permesso al sistema di evolversi nel tempo.
L'apparato sperimentale utilizzato per creare molecole RbCs ultrafredde ed eseguire questi esperimenti. Credito:Gregory et al.
"Per testare la coerenza, abbiamo usato un secondo impulso a microonde che porta a un'interferenza dipendente dalla fase tra le popolazioni statali, "Spiegarono Gregory e Cornish. "Quello che abbiamo osservato sono oscillazioni nel numero di molecole in entrambi gli stati del qubit in funzione del tempo, e abbiamo anche scoperto che la decoerenza è caratterizzata da una riduzione dell'ampiezza o del contrasto di quelle oscillazioni".
Usando il loro metodo basato sugli impulsi a microonde, Gregorio, Cornish e i loro colleghi sono stati in grado di esaminare il tempo di coerenza in funzione di qualsiasi parametro utilizzato nel loro esperimento (ad es. il campo magnetico o la polarizzazione della luce intrappolante), semplicemente modificando il valore del parametro per il periodo tra gli impulsi a microonde nella sequenza Ramsey. Finalmente, hanno confrontato le loro scoperte con un modello dettagliato della struttura rotazionale e iperfine della molecola in cui sono stati memorizzati i qubit. Ciò ha permesso loro di comprendere i ruoli unici delle diverse interazioni all'interno della molecola che possono contribuire alla perdita di coerenza del sistema.
"Il nostro risultato più importante è l'eliminazione delle fonti di decoerenza nel nostro esperimento, " Dissero Gregory e Cornish. "Questo ha implicazioni per l'informatica quantistica con molecole ultrafredde, poiché le informazioni quantistiche possono ora essere archiviate per periodi di tempo molto più lunghi".
Nel loro esperimento, i ricercatori sono stati in grado di eliminare la sensibilità al rumore del campo magnetico identificando una coppia di stati iperfini che, quando sottoposto a un campo magnetico specifico, hanno una differenza di energia tra loro che non dipende da piccole variazioni del campo magnetico. Inoltre, Gregorio, Cornish e i loro colleghi hanno scoperto un sottile spostamento della luce del tensore tra gli stati del qubit. Ciò nonostante, hanno dimostrato che questo spostamento potrebbe essere eliminato anche scegliendo con cura l'angolo di polarizzazione del laser di intrappolamento.
Dimostrazione di un robusto qubit di archiviazione in RbCs. Si osservano frange di Ramsey ad alto contrasto sotto forma di un'oscillazione nelle molecole che rimangono in uno degli stati qubit. Queste oscillazioni persistono per almeno 5,6 secondi al livello di confidenza del 95%. Credito:Gregory et al.
"Sorprendentemente, avendo eliminato tutte queste fonti di decoerenza, abbiamo scoperto che il tempo di coerenza era molto più lungo della durata del nostro gas molecolare (che è limitato dalla perdita per collisione), " Dissero Gregory e Cornish.
Nel futuro, questo lavoro potrebbe favorire lo sviluppo di nuove tecnologie quantistiche che immagazzinano informazioni all'interno delle molecole. Inoltre, potrebbe avere implicazioni preziose per la raccolta di misurazioni, come le tecniche usate da Gregory, Cornish e i loro colleghi consentono tempi di interazione particolarmente lunghi con le molecole. Ciò significa che potrebbe essere utilizzato per raccogliere misurazioni altamente precise a stati iperfini di molecole, che a sua volta potrebbe ampliare l'attuale comprensione della loro struttura interna.
"Le operazioni di gate con molecole ultrafredde sono possibili utilizzando interazioni risonanti dipolo-dipolo, " Gregory e Cornish hanno detto. "Tali interazioni possono essere raggiunte utilizzando gli stati di rotazione della molecola. Stiamo attualmente sviluppando una trappola magica rotazionale, dove lo spostamento della luce del suolo e dei primi stati eccitati a rotazione saranno identici. Tale trappola sosterrà una lunga coerenza tra gli stati rotazionali, che sarà importante per l'implementazione di porte impiglianti ad alta fedeltà, oltre a studiare modelli rilevanti per il magnetismo quantistico".
Per diverse applicazioni di calcolo quantistico, l'uso di molecole ultrafredde è possibile solo se le molecole sono confinate all'interno di una matrice spaziale controllabile e possono essere monitorate e accessibili individualmente. Gregorio, Cornish e i loro colleghi stanno quindi lavorando anche su una strategia per caricare le molecole in reticoli ottici e assemblare singole molecole in matrici, conservandoli all'interno di trappole per pinzette ottiche.
"Isolare le molecole in questo modo eviterà anche le collisioni tra le molecole, " Aggiungono Gregory e Cornish. "Ciò aumenterà ulteriormente il tempo di interazione disponibile e ci consentirà di porre limiti migliori al tempo di coerenza in futuro".
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