I computer quantistici, dispositivi informatici che sfruttano i principi della meccanica quantistica, potrebbero superare i calcoli classici in alcune complesse attività di ottimizzazione ed elaborazione. Nei computer quantistici, le classiche unità di informazione (bit), che possono avere un valore di 1 o 0, sono sostituite da bit quantistici o qubit, che possono trovarsi contemporaneamente in una miscela di 0 e 1.
Finora i qubit sono stati realizzati utilizzando vari sistemi fisici, che vanno dagli elettroni ai fotoni e agli ioni. Negli ultimi anni, alcuni fisici quantistici hanno sperimentato un nuovo tipo di qubit, noto come spin qubit di Andreev. Questi qubit sfruttano le proprietà dei materiali superconduttori e semiconduttori per archiviare e manipolare le informazioni quantistiche.
Un team di ricercatori della Delft University of Technology, guidato da Marta Pita-Vidal e Jaap J. Wesdorp, ha recentemente dimostrato l’accoppiamento forte e sintonizzabile tra due qubit di spin Andreev distanti. Il loro articolo, pubblicato su Nature Physics , potrebbe aprire la strada verso l'effettiva realizzazione di porte a due qubit tra spin distanti.
"Il recente lavoro è essenzialmente una continuazione del nostro lavoro pubblicato lo scorso anno in Nature Physics ", ha detto a Phys.org Christian Kraglund Andersen, autore corrispondente dell'articolo. "In questo lavoro precedente, abbiamo studiato un nuovo tipo di qubit chiamato Andreev spin qubit, che era stato precedentemente dimostrato anche dai ricercatori di Yale."
Gli spin qubit di Andreev sfruttano simultaneamente le proprietà vantaggiose dei qubit superconduttori e semiconduttori. Questi qubit vengono essenzialmente creati incorporando un punto quantico in un qubit superconduttore.
"Una volta stabilito il nuovo qubit, la domanda successiva naturale era se potessimo accoppiarne due", ha detto Andersen. "Un articolo teorico pubblicato nel 2010 ha suggerito un metodo per accoppiare due di questi qubit, e il nostro esperimento è il primo a realizzare questa proposta nel mondo reale."
Nell'ambito del loro studio, Andersen e i suoi colleghi hanno prima fabbricato un circuito superconduttore. Successivamente, hanno depositato due nanofili semiconduttori sopra questo circuito utilizzando un ago controllato con precisione.
"Il modo in cui abbiamo progettato il circuito, la combinazione di nanofili e circuiti superconduttori ha creato due anelli superconduttori", ha spiegato Andersen. "La particolarità di questi circuiti è che una parte di ciascun circuito è un punto quantico semiconduttore. Nel punto quantico possiamo intrappolare un elettrone. La cosa bella è che la corrente che scorre attorno ai circuiti ora dipenderà dallo spin di l'elettrone intrappolato è interessante perché ci permette di controllare una supercorrente di miliardi di coppie di Cooper con un solo giro."
La corrente combinata dei due circuiti superconduttori accoppiati realizzati dai ricercatori dipende in ultima analisi dallo spin di entrambi i punti quantici. Ciò significa anche che i due spin sono accoppiati tramite questa supercorrente. In particolare, questo accoppiamento può anche essere facilmente controllato, tramite il campo magnetico che attraversa i circuiti o modulando la tensione di gate.
"Abbiamo dimostrato che possiamo davvero accoppiare gli spin su 'lunghe' distanze utilizzando un superconduttore", ha detto Andersen. "Normalmente, l'accoppiamento spin-spin avviene solo quando due elettroni sono molto vicini. Quando si confrontano le piattaforme di qubit basate su semiconduttori con quelle basate su qubit superconduttori, questo requisito di prossimità è uno degli svantaggi architettonici dei semiconduttori."
È noto che i qubit superconduttori sono ingombranti e occupano molto spazio all'interno di un dispositivo. Il nuovo approccio introdotto da Andersen e dai suoi colleghi consente una maggiore flessibilità nella progettazione dei computer quantistici, consentendo l'accoppiamento di qubit su lunghe distanze e il loro raggruppamento più vicino.
Questo recente studio potrebbe presto aprire nuove possibilità per lo sviluppo di dispositivi di calcolo quantistico altamente performanti. Nei prossimi studi, i ricercatori intendono estendere l'approccio proposto a un numero maggiore di qubit.
"Abbiamo ottime ragioni per pensare che il nostro approccio potrebbe offrire progressi architetturali significativi per l'accoppiamento di più spin qubit", ha aggiunto Andersen. "Tuttavia, ci sono anche sfide sperimentali. Gli attuali tempi di coerenza non sono molto buoni, e ci aspettiamo che la colpa sia del bagno di spin nucleare del semiconduttore che abbiamo utilizzato (InAs). Quindi, vorremmo passare a una piattaforma più pulita , ad esempio a base di germanio, per aumentare i tempi di coerenza."
