Dispositivo a base di silicio in fase di sviluppo per l'uso nei computer quantistici. Gli elettrodi di gate mostrati in blu, rosso e verde vengono utilizzati per definire i potenziali dei punti quantici mentre il micromagnete in alto fornisce un gradiente di campo magnetico. L'immagine è stata scattata utilizzando la microscopia elettronica a scansione e i colori sono stati applicati per chiarezza. Credito:Adam Mills, Università di Princeton
La ricerca condotta dai fisici dell'Università di Princeton sta aprendo la strada all'uso delle tecnologie basate sul silicio nell'informatica quantistica, in particolare come bit quantistici, le unità di base dei computer quantistici. Questa ricerca promette di accelerare l'uso della tecnologia del silicio come valida alternativa ad altre tecnologie di calcolo quantistico, come i superconduttori o gli ioni intrappolati.
Nella ricerca pubblicata sulla rivista Science Advances , i fisici di Princeton hanno utilizzato un dispositivo quantistico al silicio a due qubit per raggiungere un livello di fedeltà senza precedenti. Al di sopra del 99 percento, questa è la fedeltà più alta finora raggiunta per un gate a due qubit in un semiconduttore ed è alla pari con i migliori risultati ottenuti dalle tecnologie concorrenti. La fedeltà, che è una misura della capacità di un qubit di eseguire operazioni prive di errori, è una caratteristica chiave nella ricerca per sviluppare un calcolo quantistico pratico ed efficiente.
I ricercatori di tutto il mondo stanno cercando di capire quali tecnologie, come i qubit superconduttori, gli ioni intrappolati o i qubit di spin di silicio, per esempio, possono essere impiegate al meglio come unità di base del calcolo quantistico. E, altrettanto significativo, i ricercatori stanno esplorando quali tecnologie avranno la capacità di aumentare in modo più efficiente per l'uso commerciale.
"I qubit di spin del silicio stanno guadagnando slancio [sul campo]", ha affermato Adam Mills, uno studente laureato presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Princeton e autore principale dello studio pubblicato di recente. "Sembra un grande anno per il silicio in generale."
Utilizzando un dispositivo al silicio chiamato double quantum dot, i ricercatori di Princeton sono stati in grado di catturare due elettroni e costringerli a interagire. Lo stato di spin di ciascun elettrone può essere utilizzato come qubit e l'interazione tra gli elettroni può intrappolare questi qubit. Questa operazione è fondamentale per il calcolo quantistico e il team di ricerca, guidato da Jason Petta, il professore di fisica Eugene Higgins a Princeton, è stato in grado di eseguire questa operazione di entanglement a un livello di fedeltà superiore al 99,8%.
Un qubit, in termini più semplici, è una versione quantistica di un bit di computer, che è la più piccola unità di dati in un computer. Come la sua controparte classica, il qubit è codificato con informazioni che possono avere il valore di uno o zero. Ma a differenza del bit, il qubit è in grado di sfruttare i concetti della meccanica quantistica in modo da poter svolgere compiti che i bit classici non possono.
"In un qubit puoi codificare zeri e uno, ma puoi anche avere sovrapposizioni di questi zeri e uno", ha affermato Mills. Ciò significa che ogni qubit può essere contemporaneamente uno zero e uno. Questo concetto, chiamato sovrapposizione, è una qualità fondamentale della meccanica quantistica e consente ai qubit di eseguire operazioni che sembrano sorprendenti e ultraterrene. In termini pratici, consente al computer quantistico un vantaggio maggiore rispetto ai computer convenzionali, ad esempio, fattorizzando numeri molto grandi o isolando la soluzione più ottimale a un problema.
Lo "spin" nei qubit di spin è il momento angolare dell'elettrone. È una proprietà quantistica che si manifesta come un minuscolo dipolo magnetico che può essere utilizzato per codificare le informazioni. Un analogo classico è l'ago della bussola, che ha i poli nord e sud, e ruota per allinearsi con il campo magnetico terrestre. Dal punto di vista quantistico, lo spin dell'elettrone può allinearsi con il campo magnetico generato in laboratorio (spin-up), o essere orientato in modo antiparallelo al campo (spin-down), oppure trovarsi in una sovrapposizione quantistica di spin-up e spin-down. Lo spin è la proprietà dell'elettrone imbrigliato nei dispositivi quantistici a base di silicio; i computer convenzionali, al contrario, funzionano manipolando la carica negativa di un elettrone.
Mills ha affermato che in generale, i qubit di spin di silicio presentano vantaggi rispetto ad altri tipi di qubit. "L'idea è che ogni sistema dovrà scalare fino a molti qubit", ha affermato. "E in questo momento, gli altri sistemi qubit hanno reali limiti fisici alla scalabilità. Le dimensioni potrebbero essere un vero problema con questi sistemi. C'è solo così tanto spazio in cui puoi stipare queste cose."
In confronto, i qubit di spin di silicio sono costituiti da singoli elettroni e sono estremamente piccoli.
"I nostri dispositivi hanno un diametro di appena 100 nanometri, mentre un qubit superconduttore convenzionale è più simile a 300 micron, quindi se vuoi crearne molti su un chip, sarà difficile usare un approccio superconduttore", ha affermato Petta.
L'altro vantaggio dei qubit di spin al silicio, ha aggiunto Petta, è che l'elettronica convenzionale oggi si basa sulla tecnologia del silicio. "La nostra sensazione è che se vuoi davvero realizzare un milione o dieci milioni di qubit che saranno necessari per fare qualcosa di pratico, ciò accadrà solo in un sistema a stato solido che può essere ridimensionato utilizzando l'industria della fabbricazione di semiconduttori standard. "
Tuttavia, utilizzare spin qubit, come altri tipi di qubit, con un'elevata fedeltà è stata una sfida per i ricercatori.
"Uno dei colli di bottiglia per la tecnologia degli spin qubit è che la fedeltà del gate a due qubit fino a poco tempo fa non era così alta", ha affermato Petta. "È stato ben al di sotto del 90 percento nella maggior parte degli esperimenti."
Ma era una sfida che Petta, Mills e il team di ricerca credevano potesse essere raggiunta.
Per eseguire l'esperimento, i ricercatori hanno dovuto prima catturare un singolo elettrone, un compito non da poco.
"Stiamo intrappolando un singolo elettrone, una particella molto piccola, e dobbiamo portarlo in una specifica regione dello spazio e poi farlo ballare", ha detto Petta.
Per fare questo, Mills, Petta ei loro colleghi avevano bisogno di costruire una "gabbia". Questo ha preso la forma di un semiconduttore sottilissimo fatto principalmente di silicio. In cima a questo, il team ha modellato piccoli elettrodi, che creano il potenziale elettrostatico utilizzato per racchiudere l'elettrone. Due di queste gabbie messe insieme, separate da una barriera, o cancello, costituivano il doppio punto quantico.
"Abbiamo due giri seduti in siti adiacenti uno accanto all'altro", ha detto Petta. "Regolando la tensione su queste porte, possiamo momentaneamente unire gli elettroni e farli interagire. Questa è chiamata porta a due qubit."
L'interazione fa sì che ogni qubit di spin si evolva in base allo stato dei suoi qubit di spin vicini, il che porta all'entanglement nei sistemi quantistici. I ricercatori sono stati in grado di eseguire questa interazione a due qubit con una fedeltà superiore al 99%. Ad oggi, questa è la fedeltà più alta per un gate a due qubit che è stata finora raggiunta in spin qubit.
Petta ha affermato che i risultati di questo esperimento mettono questa tecnologia - i qubit di spin del silicio - su un piano di parità con i migliori risultati ottenuti dalle altre principali tecnologie concorrenti. "Questa tecnologia è in forte aumento", ha affermato, "e penso che sia solo questione di tempo prima che superi i sistemi superconduttori".
"Un altro aspetto importante di questo documento", ha aggiunto Petta, "è che non è solo una dimostrazione di un gate a due qubit ad alta fedeltà, ma questo dispositivo fa tutto. Questa è la prima dimostrazione di un sistema di spin qubit a semiconduttore in cui abbiamo prestazioni integrate dell'intero sistema - la preparazione dello stato, la lettura, il controllo a qubit singolo, il controllo a due qubit - il tutto con parametri di prestazione che superano la soglia necessaria per far funzionare un sistema su larga scala."
Oltre a Mills e Petta, il lavoro includeva anche gli sforzi degli studenti laureati di Princeton Charles Guinn e Mayer Feldman, nonché dell'assistente professore di ingegneria elettrica dell'Università della Pennsylvania Anthony Sigillito. Hanno contribuito all'articolo e alla ricerca anche Michael Gullans, Dipartimento di Fisica, Università di Princeton e Center for Quantum Information and Computer Science presso il NIST/Università del Maryland, ed Erik Nielsen dei Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico. + Esplora ulteriormente
