Un'immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) di un dispositivo litograficamente identico a quello misurato mostra la disposizione dell'elettrodo di gate nella regione attiva. Credito:Eriksson et al.
I qubit sono gli elementi costitutivi dei computer quantistici, che hanno il potenziale per rivoluzionare molti campi di ricerca risolvendo problemi che i computer classici non possono.
Ma creare qubit con la qualità perfetta necessaria per l'informatica quantistica può essere impegnativo.
I ricercatori dell'Università del Wisconsin-Madison, HRL Laboratories LLC e l'Università del New South Wales (UNSW) hanno collaborato a un progetto per controllare meglio i qubit di punti quantici di silicio, consentendo una fabbricazione e un utilizzo di qualità superiore in applicazioni più ampie. Tutte e tre le istituzioni sono affiliate al Chicago Quantum Exchange. Il lavoro è stato pubblicato in Lettere di revisione fisica e l'autore principale, J. P. Dodson, è recentemente passato da UW–Madison a HRL.
"La coerenza è la cosa che stiamo cercando qui", afferma Mark Friesen, Distinguished Scientist of Physics presso UW-Madison e autore del documento. "La nostra affermazione è che esiste effettivamente la speranza di creare una matrice molto uniforme di punti che possono essere utilizzati come qubit."
Stati quantistici sensibili
Mentre i bit dei computer classici utilizzano circuiti elettrici per rappresentare due possibili valori (0 e 1), i qubit utilizzano due stati quantistici per rappresentare 0 e 1, il che consente loro di sfruttare i fenomeni quantistici come la sovrapposizione per eseguire calcoli potenti.
I qubit possono essere costruiti in diversi modi. Un modo per costruire un qubit è fabbricare un punto quantico, o una gabbia molto, molto piccola per gli elettroni, formata all'interno di un cristallo di silicio. A differenza dei qubit costituiti da singoli atomi, che sono tutti naturalmente identici, i qubit a punti quantici sono creati dall'uomo, consentendo ai ricercatori di personalizzarli per diverse applicazioni.
Ma una chiave comune negli ingranaggi metaforici di questi qubit di silicio è la competizione tra diversi tipi di stati quantistici. La maggior parte dei qubit utilizza "stati di rotazione" per rappresentare 0 e 1, che si basano su una proprietà quantistica univoca chiamata spin. Ma se il qubit ha altri tipi di stati quantistici con energie simili, questi altri stati possono interferire, rendendo difficile per gli scienziati un uso efficace del qubit.
Nei punti quantici di silicio, gli stati che più spesso competono con quelli necessari per il calcolo sono gli "stati della valle", chiamati per la loro posizione su un grafico dell'energia:esistono nelle "valli" del grafico.
Per avere il qubit di punti quantici più efficace, gli stati di valle del punto devono essere controllati in modo tale da non interferire con gli stati di spin che trasportano informazioni quantistiche. Ma gli stati della valle sono estremamente sensibili; i punti quantici si trovano su una superficie piana e se c'è anche un atomo in più sulla superficie sotto il punto quantico, le energie degli stati della valle cambiano.
Gli autori dello studio affermano che questo tipo di difetti di un singolo atomo sono praticamente "inevitabili", quindi hanno trovato un modo per controllare gli stati della valle anche in presenza di difetti. Manipolando la tensione attraverso il punto, i ricercatori hanno scoperto di poter spostare fisicamente il punto sulla superficie su cui si trova.
"Le tensioni di gate ti consentono di spostare il punto attraverso l'interfaccia su cui si trova di alcuni nanometri e, così facendo, ne cambi la posizione rispetto alle caratteristiche su scala atomica", afferma Mark Eriksson, John Bardeen Professor e presidente dell'UW -Dipartimento di fisica di Madison, che ha lavorato al progetto. "Questo cambia le energie degli stati della valle in modo controllabile."
"Il messaggio da portare a casa di questo articolo", dice, "è che le energie degli stati della valle non sono determinate per sempre una volta creato un punto quantico. Possiamo sintonizzarle e questo ci consente di creare qubit migliori che andranno a creare computer quantistici migliori."
Basato sull'esperienza accademica e del settore
I materiali ospiti per i punti quantici sono "cresciuti" con una precisa composizione dello strato. Il processo è estremamente tecnico e Friesen osserva che Lisa Edge di HRL Laboratories è un'esperta mondiale.
"Sono necessari molti decenni di conoscenza per essere in grado di far crescere correttamente questi dispositivi", afferma Friesen. "Abbiamo diversi anni di collaborazione con HRL e sono molto bravi a metterci a disposizione materiali di altissima qualità."
Il lavoro ha anche beneficiato della conoscenza di Susan Coppersmith, una teorica precedentemente alla UW-Madison che si è trasferita all'UNSW nel 2018. Eriksson afferma che la natura collaborativa della ricerca è stata fondamentale per il suo successo.
"Questo lavoro, che ci offre molte nuove conoscenze su come controllare con precisione questi qubit, non sarebbe stato possibile senza i nostri partner di HRL e UNSW", afferma Eriksson. "C'è un forte senso di comunità nella scienza e nella tecnologia quantistica, e questo sta davvero spingendo il campo in avanti". + Esplora ulteriormente
