I futuri computer quantistici potrebbero essere basati su elettroni fluttuanti sopra l'elio liquido, secondo lo studio di un fisico e collaboratori del RIKEN, apparso su Physical Review Applied .
I computer di oggi si basano sullo spostamento degli elettroni nel silicio. Gli elettroni nel silicio potrebbero anche costituire la base di un tipo di computer completamente diverso:i computer quantistici. Sono in corso numerosi sforzi per realizzare computer quantistici utilizzando gli elettroni in vari cristalli allo stato solido, a partire dal silicio.
Sfruttando la natura quantistica di piccoli oggetti, i computer quantistici promettono di rivoluzionare l'informatica risolvendo problemi che sarebbero intrattabili utilizzando i supercomputer più potenti oggi disponibili.
Sebbene gli sforzi per creare qubit utilizzando gli elettroni nei cristalli allo stato solido abbiano ottenuto un successo significativo, aumentare il numero di qubit (l’equivalente quantistico dei bit) è impegnativo perché difetti e impurità nei cristalli allo stato solido creano potenziali elettrici imprevedibili, rendendo difficile la produzione molti qubit uniformi.
Un modo per superare questo problema sarebbe utilizzare gli elettroni fluttuanti nel vuoto come qubit, poiché il vuoto è privo di difetti.
"I cristalli allo stato solido avranno sempre alcuni difetti, il che significa che non possiamo creare un ambiente perfetto per gli elettroni", afferma Erika Kawakami del RIKEN Center for Quantum Computing. "Questo è problematico se vogliamo creare molti qubit uniformi. E quindi è meglio avere qubit nel vuoto."
Nel 1999, i ricercatori hanno proposto teoricamente di realizzare per la prima volta qubit basati su elettroni fluttuanti sull'elio liquido. In questo sistema fisico, gli elettroni galleggiano nel vuoto leggermente sopra la superficie dell'elio liquido. Si trattava di una proposta rivoluzionaria, ma era limitata alle operazioni di base delle porte quantistiche perché la ricerca sui computer quantistici era ancora agli inizi.
Ora, in uno studio teorico, il team ha mostrato come le porte quantistiche possano essere realizzate in modo più concreto utilizzando gli elettroni che fluttuano sopra l'elio liquido.
Al centro della loro proposta c’è un qubit ibrido che coinvolge lo stato di carica quantizzato verticalmente e lo stato di spin di un elettrone fluttuante. Lo stato di carica dell'elettrone consente di manipolarlo facilmente su distanze moderate utilizzando un campo elettrico, mentre lo stato di spin può essere utilizzato per archiviare dati in modo stabile. L'interazione tra lo stato di spin e quello di carica dell'elettrone consente il trasferimento di dati tra le due proprietà dell'elettrone.
"Abbiamo proposto come realizzare porte a uno e due qubit utilizzando gli elettroni sull'elio e abbiamo stimato la loro fedeltà", afferma Kawakami. "Abbiamo anche specificato come possiamo aumentare il numero di qubit. Si tratta di qualcosa di nuovo."
Il loro sistema utilizza una serie di minuscoli pilastri ferromagnetici per intrappolare gli elettroni sopra l’elio. Dovrebbe essere possibile racchiudere più di 10 milioni di qubit in un'area grande quanto un francobollo.
Il team intende ora accettare la sfida di implementare la propria proposta in modo sperimentale.
Ulteriori informazioni: Erika Kawakami et al, Progetto per l'informatica quantistica utilizzando elettroni sull'elio, Revisione fisica applicata (2023). DOI:10.1103/PhysRevApplied.20.054022. Su arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2303.03688
Informazioni sul giornale: Revisione fisica applicata , arXiv
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