Rispondendo a questa esigenza, un gruppo di ricerca dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) sta ora introducendo un nuovo approccio per la trasduzione dell'informazione quantistica. Il team ha manipolato i bit quantistici, i cosiddetti qubit, sfruttando il campo magnetico dei magnoni – eccitazioni simili a onde in un materiale magnetico – che si verificano all’interno dei microscopici dischi magnetici. I ricercatori hanno presentato i loro risultati sulla rivista Science Advances .

La costruzione di un computer quantistico programmabile e universale rappresenta una delle imprese ingegneristiche e scientifiche più impegnative del nostro tempo. La realizzazione di un computer di questo tipo presenta un grande potenziale per diversi settori industriali come la logistica, la finanza e la farmaceutica. Tuttavia, la costruzione di un computer quantistico pratico è stata ostacolata dalla fragilità intrinseca del modo in cui le informazioni vengono archiviate ed elaborate in questa tecnologia. Le informazioni quantistiche sono codificate in qubit, che sono estremamente sensibili al rumore nel loro ambiente. Piccole fluttuazioni termiche, una frazione di grado, potrebbero interrompere completamente il calcolo.

Ciò ha spinto i ricercatori a distribuire le funzionalità dei computer quantistici tra elementi costitutivi distinti e separati, nel tentativo di ridurre i tassi di errore e sfruttare i vantaggi complementari dei loro componenti.

"Tuttavia, ciò pone il problema di trasferire l'informazione quantistica tra i moduli in modo che l'informazione non vada perduta", afferma il ricercatore dell'HZDR Mauricio Bejarano, primo autore della pubblicazione. "La nostra ricerca si colloca proprio in questa nicchia specifica, trasducendo la comunicazione tra moduli quantistici distinti."

Il metodo attualmente stabilito per trasferire informazioni quantistiche e indirizzare i qubit è tramite antenne a microonde. Questo è l'approccio utilizzato da Google e IBM nei loro chip superconduttori, la piattaforma tecnologica all'avanguardia in questa corsa quantistica.

"Noi, invece, affrontiamo i qubit con i magnoni", afferma il fisico dell'HZDR Helmut Schultheiss, che ha supervisionato il lavoro. "Queste possono essere pensate come onde di eccitazione magnetica che attraversano un materiale magnetico. Il vantaggio è che la lunghezza d'onda dei magnoni è nell'ordine dei micrometri ed è significativamente più corta delle onde centimetriche della tecnologia a microonde convenzionale. Di conseguenza, l'impronta delle microonde di i magnon costano meno spazio nel chip."

Divisore di frequenza sofisticato

Il gruppo HZDR ha studiato l’interazione di magnoni e qubit formati da posti vacanti di atomi di silicio nella struttura cristallina del carburo di silicio, un materiale comunemente utilizzato nell’elettronica ad alta potenza. Questi tipi di qubit sono tipicamente chiamati qubit di spin, dato che l’informazione quantistica è codificata nello stato di spin della posizione vacante. Ma come si possono utilizzare i magnoni per controllare questi tipi di qubit?

"In genere, i magnoni vengono generati con antenne a microonde. Ciò pone il problema che è molto difficile separare la trasmissione delle microonde proveniente dall'antenna da quella proveniente dai magnoni", spiega Bejarano.

Per isolare le microonde dai magnoni, il team HZDR ha utilizzato un fenomeno magnetico esotico osservabile in microscopici dischi magnetici di una lega di nichel-ferro.

"A causa di un processo non lineare, alcuni magnoni all'interno del disco possiedono una frequenza molto più bassa della frequenza di pilotaggio dell'antenna. Manipoliamo i qubit solo con questi magnoni a frequenza più bassa", afferma la ricerca.

Il gruppo di ricerca sottolinea di non aver ancora eseguito alcun calcolo quantistico. Tuttavia, hanno dimostrato che fondamentalmente è possibile indirizzare i qubit esclusivamente con i magnoni.

Sfruttare la potenza dei Magnon

"Ad oggi, la comunità dell'ingegneria quantistica non si è ancora resa conto che i magnoni possono essere utilizzati per controllare i qubit", sottolinea Schultheiss. "Ma i nostri esperimenti dimostrano che queste onde magnetiche potrebbero davvero essere utili."

Per sviluppare ulteriormente il proprio approccio, il team si sta già preparando per i piani futuri:vogliono provare a controllare diversi qubit individuali ravvicinati in modo tale che i magnoni medino il loro processo di entanglement, un prerequisito per eseguire calcoli quantistici.

La loro visione è che, a lungo termine, i magnoni potrebbero essere eccitati da correnti elettriche dirette con tale precisione da indirizzare specificamente ed esclusivamente un singolo qubit in una serie di qubit. Ciò consentirebbe di utilizzare i magnon come bus quantistico programmabile per indirizzare i qubit in modo estremamente efficace. Anche se c'è molto lavoro da fare, la ricerca del gruppo evidenzia che la combinazione dei sistemi magnonici con le tecnologie quantistiche potrebbe fornire spunti utili per lo sviluppo di un pratico computer quantistico in futuro.