Il calcolo quantistico, un campo che si basa sui principi della meccanica quantistica per calcolare i risultati, ha il potenziale per svolgere compiti troppo complessi per i computer tradizionali e per farlo ad alta velocità, rendendolo in qualche modo la nuova frontiera per la scienza e l'ingegneria. Per arrivare al punto in cui i computer quantistici possono soddisfare il potenziale di prestazioni previsto, è necessario lo sviluppo di processori quantistici su larga scala e memorie quantistiche. Il controllo preciso dei qubit, o bit quantistici, gli elementi costitutivi di base dei computer quantistici, è fondamentale per farlo, ma i metodi di controllo dei qubit hanno dei limiti per un cablaggio massiccio ad alta densità con alta precisione.

Ora, i ricercatori della Yokohama National University in Giappone hanno trovato un modo per controllare con precisione i qubit senza le limitazioni precedenti. I loro risultati sono stati pubblicati su Nature Photonics il 26 luglio 2022.

"Le microonde vengono solitamente utilizzate per il controllo quantistico individuale, ma è necessario il cablaggio individuale delle linee a microonde", ha affermato l'autore corrispondente del documento Hideo Kosaka, direttore del Quantum Information Research Center presso l'Istituto di scienze avanzate e professore presso il Dipartimento di fisica del laureato Scuola di Ingegneria presso l'Università Nazionale di Yokohama. "D'altra parte, è possibile manipolare i qubit localmente, ma non precisamente, con la luce."

Kosaka e gli altri ricercatori sono stati in grado di dimostrare il controllo dei qubit manipolando lo spin dell'elettrone attraverso una combinazione di manipolazione a microonde e spostamento ottico locale delle frequenze di transizione di atomi e molecole, un processo noto come spostamento di Stark, utilizzando un centro di azoto vuoto. un tipo di difetto di punta:in un diamante. In altre parole, sono stati in grado di combinare metodi ottici basati sulla luce dei laser con le microonde per superare i limiti precedenti.

I ricercatori sono stati anche in grado di dimostrare che questo controllo dello spin dell'elettrone potrebbe a sua volta controllare lo spin nucleare dell'atomo di azoto nel centro di vacanza di azoto, nonché l'interazione tra l'elettrone e gli spin nucleari. Questo è importante perché consente un controllo preciso dei qubit senza problemi di cablaggio.

"L'irradiazione simultanea di luce e microonde consente un controllo individuale e preciso dei qubit senza cablaggio individuale", ha affermato Kosaka. "Questo ha aperto la strada a processori quantistici e memorie quantistiche su larga scala, che sono essenziali per lo sviluppo di computer quantistici su larga scala."

Inoltre, i ricercatori sono stati in grado di generare un entanglement quantistico, uno stato in cui le particelle esistono nello stesso stato, anche se sono fisicamente separate, tra l'elettrone e gli spin nucleari per preparare uno stato fotonico da trasferire nello stato di spin nucleare. Ciò consente la connettività interqubit con il fotone e, in definitiva, richiederà meno potenza di calcolo e consentirà il trasferimento di informazioni a processori quantistici e memorie quantistiche in base al principio del teletrasporto quantistico.

Il nuovo metodo soddisfa tutti i criteri DiVincenzo, che sono i criteri necessari per il funzionamento di un computer quantistico, e includono scalabilità, inizializzazione, misurazione, porta universale e coerenza lunga. Può anche essere applicato oltre lo spostamento Stark e ad altri schemi di campo magnetico per manipolare individualmente i qubit in quegli scenari e può proteggere da tipi comuni di errori di calcolo come errori di gate o rumore ambientale.

"Il motivo della migliore fedeltà del nostro schema rispetto agli schemi completamente ottici è l'uso di un grado di libertà in eccesso che è più facile da controllare", ha affermato Kosaka, riferendosi al numero di variabili che possono essere controllate utilizzando questo metodo.

Secondo i ricercatori, questo progresso è un passo verso l'informatica quantistica su scala più ampia.

"Migliorando ulteriormente la risoluzione delle singole operazioni quantistiche e delle operazioni di entanglement, è possibile realizzare computer quantistici diamantati integrati su larga scala, archivi quantistici e sensori quantistici", ha affermato Kosaka. "Migliorerà anche la capacità di trasmissione dei dati della rete di ripetitori quantistici per la comunicazione quantistica a lungo raggio e la rete di computer quantistici distribuiti o Internet quantistico."

Gli altri autori dell'articolo erano Yuhei Sekiguchi dell'Institute of Advanced Sciences della Yokohama National University, e Kazuki Matsushita e Yoshiki Kawasaki, entrambi del Dipartimento di Fisica della Graduate School of Engineering della Yokohama National University. + Esplora ulteriormente

Memoria per computer quantistica a tolleranza di errore in diamante