La corsa per costruire un computer quantistico pratico è ben avviata. I ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando su un’enorme varietà di tecnologie qubit. Finora non c'è consenso su quale tipo di qubit sia più adatto per massimizzare il potenziale della scienza dell'informazione quantistica.

I qubit sono il fondamento di un computer quantistico:gestiscono l'elaborazione, il trasferimento e l'archiviazione dei dati. Per funzionare correttamente, devono archiviare in modo affidabile ed elaborare rapidamente le informazioni. La base per una rapida elaborazione delle informazioni sono le interazioni stabili e veloci tra un gran numero di qubit i cui stati possono essere controllati in modo affidabile dall'esterno.

Affinché un computer quantistico sia pratico, milioni di qubit devono essere ospitati su un singolo chip. I computer quantistici più avanzati oggi hanno solo poche centinaia di qubit, il che significa che possono eseguire solo calcoli che sono già possibili (e spesso più efficienti) sui computer convenzionali..

Elettroni e lacune

Per risolvere il problema della disposizione e del collegamento di migliaia di qubit, i ricercatori dell’Università di Basilea e dell’NCCR SPIN si affidano a un tipo di qubit che sfrutta lo spin (momento angolare intrinseco) di un elettrone o di una lacuna. Una lacuna è essenzialmente un elettrone mancante in un semiconduttore.

Sia le lacune che gli elettroni possiedono uno spin, che può adottare uno dei due stati:su o giù, analogo a 0 e 1 nei bit classici. Rispetto allo spin dell'elettrone, lo spin della buca ha il vantaggio di poter essere controllato interamente elettricamente senza bisogno di componenti aggiuntivi come micromagneti sul chip.

Già nel 2022 i fisici di Basilea sono riusciti a dimostrare che le rotazioni del buco in un dispositivo elettronico esistente possono essere intrappolate e utilizzate come qubit. Questi "FinFET" (transistor a effetto campo) sono integrati nei moderni smartphone e vengono prodotti in processi industriali diffusi. Ora, un team guidato dal dottor Andreas Kuhlmann è riuscito per la prima volta a ottenere un'interazione controllabile tra due qubit all'interno di questa configurazione.

Spin-flip controllato veloce e preciso

Un computer quantistico ha bisogno di "porte quantistiche" per eseguire calcoli. Queste rappresentano operazioni che manipolano i qubit e li accoppiano tra loro. Come riferiscono i ricercatori sulla rivista Nature Physics , sono stati in grado di accoppiare due qubit e di provocare un'inversione controllata di uno dei loro spin, a seconda dello stato dello spin dell'altro, noto come inversione di spin controllata.

"Gli spin dei buchi ci consentono di creare porte a due qubit veloci e ad alta fedeltà. Questo principio ora rende anche possibile accoppiare un numero maggiore di coppie di qubit", afferma Kuhlmann.

L'accoppiamento di due spin qubit si basa sulla loro interazione di scambio, che avviene tra due particelle indistinguibili che interagiscono tra loro elettrostaticamente. Sorprendentemente, l’energia di scambio dei buchi non solo è controllabile elettricamente, ma è anche fortemente anisotropa. Questa è una conseguenza dell'accoppiamento spin-orbita, il che significa che lo stato di rotazione di un foro è influenzato dal suo movimento nello spazio.

Per descrivere questa osservazione in un modello, i fisici sperimentali e teorici dell'Università di Basilea e l'NCCR SPIN hanno unito le forze. "L'anisotropia rende possibili porte a due qubit senza il consueto compromesso tra velocità e fedeltà", afferma il dott. Kuhlmann.

"I qubit basati sugli spin dei fori non solo sfruttano la fabbricazione collaudata di chip di silicio, ma sono anche altamente scalabili e hanno dimostrato di essere veloci e robusti negli esperimenti." Lo studio sottolinea che questo approccio ha una forte possibilità nella corsa allo sviluppo di un computer quantistico su larga scala.