Gli ingegneri informatici quantistici dell'UNSW Sydney hanno dimostrato di poter codificare le informazioni quantistiche, i dati speciali in un computer quantistico, in quattro modi unici all'interno di un singolo atomo, all'interno di un chip di silicio.
L'impresa potrebbe alleviare alcune delle sfide legate al funzionamento di decine di milioni di unità di calcolo quantistico in pochi millimetri quadrati di un chip di computer quantistico in silicio.
In un articolo pubblicato su Nature Communications , gli ingegneri descrivono come hanno utilizzato i 16 "stati" quantistici di un atomo di antimonio per codificare le informazioni quantistiche.
L'antimonio è un atomo pesante che può essere impiantato in un chip di silicio, sostituendo uno degli atomi di silicio esistenti. È stato scelto perché il suo nucleo possiede otto stati quantistici distinti, più un elettrone con due stati quantistici, per un totale di 8 x 2 =16 stati quantistici, tutti all'interno di un solo atomo. Raggiungere lo stesso numero di stati utilizzando semplici bit quantistici, o qubit, l'unità base dell'informazione quantistica, richiederebbe la produzione e l'accoppiamento di quattro di essi.
L'autrice principale, Irene Fernandez de Fuentes, afferma che il team, sotto la guida del professor Andrea Morello di Scientia, ha attinto a più di un decennio di lavoro che aveva stabilito diversi metodi di controllo quantistico per dimostrare che tutti erano possibili all'interno dello stesso atomo. L'atomo di antimonio è stato impiantato nel chip dai colleghi dell'Università di Melbourne, utilizzando le strutture degli Heavy Ion Accelerators presso l'Università Nazionale Australiana.
"In primo luogo, abbiamo dimostrato che potevamo controllare l'elettrone dell'antimonio con un campo magnetico oscillante, simile alla svolta del 2012 che fu la prima volta che un qubit fu mai dimostrato nel silicio," dice.
"Successivamente abbiamo dimostrato che potevamo utilizzare un campo magnetico per manipolare lo spin del nucleo dell'antimonio. Questo è il metodo standard di risonanza magnetica, utilizzato ad esempio nelle macchine MRI negli ospedali. Il terzo metodo consisteva nel controllare il nucleo dell'atomo di antimonio con un campo elettrico, qualcosa che è stato scoperto per caso fortunato nel 2020.
"E il quarto modo era controllare sia il nucleo di antimonio che l'elettrone in opposizione tra loro, utilizzando un campo elettrico utilizzando i cosiddetti qubit flip-flop, come dimostrato da questo team l'anno scorso.
"Quest'ultimo esperimento mostra che tutti e quattro questi metodi possono essere utilizzati nello stesso chip di silicio utilizzando la stessa architettura."
Il vantaggio di avere quattro metodi diversi è che ciascuno di essi offre agli ingegneri informatici e ai fisici maggiore flessibilità durante la progettazione dei futuri chip per il calcolo quantistico.
Ad esempio, la risonanza magnetica è più veloce della risonanza elettrica, ma il campo magnetico si diffonde ampiamente nello spazio, quindi può influenzare anche gli atomi vicini. La risonanza elettrica, sebbene più lenta, può essere applicata molto localmente per selezionare un atomo specifico senza influenzare nessuno dei suoi vicini.
"Con questo grande atomo di antimonio, abbiamo la completa flessibilità di come integrarlo con una struttura di controllo su un chip di silicio", afferma il prof. Morello.
I computer quantistici del futuro avranno milioni, se non miliardi di qubit che funzioneranno simultaneamente per elaborare numeri e simulare modelli in pochi minuti, il cui completamento richiederebbe ai supercomputer di oggi centinaia o addirittura migliaia di anni.
Sebbene alcuni team in tutto il mondo abbiano fatto progressi con un gran numero di qubit, come il modello da 70 qubit di Google o la versione di IBM che ne ha più di 1000, richiedono spazi molto più ampi affinché i loro qubit funzionino senza interferire tra loro.
Ma l’approccio adottato dal Prof. Morello e altri colleghi all’UNSW è quello di progettare l’informatica quantistica utilizzando la tecnologia già in uso per realizzare computer convenzionali. Anche se i progressi potrebbero essere più lenti in termini di numero di qubit funzionanti, il vantaggio di utilizzare il silicio significherà poter avere milioni di qubit in un millimetro quadrato di chip.
"Stiamo investendo in una tecnologia più difficile e più lenta, ma per ottime ragioni, una delle quali è l'estrema densità di informazioni che sarà in grado di gestire", afferma il prof. Morello.
"Va benissimo avere 25 milioni di atomi in un millimetro quadrato, ma bisogna controllarli uno per uno. Avere la flessibilità di farlo con campi magnetici, o campi elettrici, o qualsiasi combinazione di essi, ci darà moltissime possibilità" opzioni con cui giocare durante l'espansione del sistema."
Successivamente, il gruppo utilizzerà l’ampio spazio computazionale dell’atomo di antimonio per eseguire operazioni quantistiche molto più sofisticate di quelle consentite dai semplici qubit. Hanno in programma di codificare un qubit "logico" all'interno dell'atomo, un qubit costruito su più di due livelli quantistici, per ottenere una ridondanza sufficiente per rilevare e correggere gli errori non appena si verificano.
"Questa è la prossima frontiera per l'hardware dei computer quantistici pratico e utile", afferma il prof. Morello.
"Essere in grado di costruire un qubit logico con correzione degli errori all'interno di un singolo atomo rappresenterà un'enorme opportunità per espandere l'hardware quantistico in silicio fino al punto in cui diventerà commercialmente utile."
Ulteriori informazioni: Irene Fernández de Fuentes et al, Navigazione nello spazio di Hilbert a 16 dimensioni di un donatore ad alto spin qudit con campi elettrici e magnetici, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45368-y
Fornito dall'Università del Nuovo Galles del Sud
