I qubit sono gli elementi costitutivi della tecnologia quantistica e trovare o costruire qubit stabili e facilmente manipolabili è uno degli obiettivi centrali della ricerca sulla tecnologia quantistica. Gli scienziati hanno scoperto che un atomo di erbio, un metallo delle terre rare talvolta utilizzato nei laser o per colorare il vetro, può essere un qubit molto efficace.
Per realizzare qubit di erbio, gli atomi di erbio vengono posizionati in "materiali ospiti", dove gli atomi di erbio sostituiscono alcuni degli atomi originali del materiale. Due gruppi di ricerca, uno presso la startup quantistica memQ, un partner aziendale del Chicago Quantum Exchange, e uno presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, membro del CQE, hanno utilizzato diversi materiali ospiti per l'erbio per far avanzare la tecnologia quantistica, dimostrando la versatilità di questo tipo di qubit ed evidenziando l'importanza della scienza dei materiali per l'informatica quantistica e la comunicazione quantistica.
I due progetti affrontano le sfide che i ricercatori di informatica quantistica stanno cercando di risolvere:progettare dispositivi multi-qubit ed estendere il tempo in cui i qubit possono conservare le informazioni.
"Il lavoro svolto da questi due sforzi evidenzia davvero quanto i materiali siano importanti per la tecnologia quantistica", ha affermato F. Joseph Heremans, scienziato dello staff di Argonne coinvolto in entrambi i progetti. "L'ambiente in cui risiede il qubit è altrettanto critico quanto il qubit stesso."
L'erbio è popolare come qubit perché può trasmettere in modo efficiente informazioni quantistiche sullo stesso tipo di fibra ottica che canalizza Internet e le linee telefoniche; i suoi elettroni sono inoltre disposti in modo tale da essere particolarmente resistente al tipo di cambiamenti ambientali che possono causare la perdita di informazioni in un qubit.
Ma il processo di crescita che inserisce l’erbio nel materiale ospite disperde gli atomi in tutto il materiale in un modo che gli scienziati non possono controllare con precisione, il che rende difficile progettare dispositivi multi-qubit. Con una tecnica completamente nuova, gli scienziati di memQ hanno scoperto una soluzione alternativa:"attivare" solo alcuni atomi di erbio con un laser.
Il lavoro è pubblicato sulla rivista Applied Physics Letters .
"In realtà non stiamo posizionando l'erbio in punti specifici, l'erbio è sparso in tutto il materiale", ha affermato Sean Sullivan, CTO e co-fondatore di memQ, che si è laureato a Duality, l'acceleratore di startup quantistiche co-guidato dal Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation presso l'Università di Chicago e il CQE insieme ai partner fondatori dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign, Argonne e P33.
"Ma usando un laser, possiamo cambiare la struttura cristallina in una particolare area, e questo cambia le proprietà dell'erbio in quell'area. Quindi stiamo selezionando quale erbio utilizzare come qubit."
La tecnica si basa sulle proprietà del materiale ospite, il biossido di titanio (TiO2 ). A causa della sua simmetria, un reticolo cristallino di TiO2 ha due possibili configurazioni. Un atomo di erbio inserito nel reticolo comunicherà ad una frequenza diversa a seconda della configurazione di TiO2 si trova dentro.
Nella tecnica di memQ, l'erbio è sparso in una pellicola di TiO2 cioè in una configurazione. Quindi, un laser ad alta potenza viene focalizzato sul cristallo attorno a determinati atomi di erbio, distorcendo permanentemente il TiO2 nella sua altra configurazione solo in quelle posizioni. Ora, gli atomi di erbio selezionati dal laser possono comunicare tutti alla stessa frequenza, completamente separati dagli altri.
La nuova procedura rappresenta un progresso significativo in quest'area della tecnologia quantistica, nota come tecnologia dello stato solido.
"Non è possibile utilizzare qubit in 100 posizioni casuali per costruire qualcosa di utile", ha affermato Manish Singh, CEO e co-fondatore di memQ. "Con la nostra piattaforma, possiamo scegliere quale erbio vogliamo utilizzare nel layout in cui vogliamo utilizzarli, una capacità che è sfuggita alla comunità dello stato solido per molto tempo."
Una misura cruciale dell’efficacia di un qubit è il suo tempo di coerenza:la quantità di tempo in cui può conservare le informazioni quantistiche. Ciò è particolarmente importante per i qubit destinati all’uso come memoria quantistica, l’equivalente quantistico della memoria classica del computer. Ma la coerenza è molto fragile:un qubit può perdere coerenza se interagisce con qualcosa nel suo ambiente, come l'aria o il calore.
Gli atomi di erbio possono trattenere informazioni quantistiche utilizzando i loro elettroni, che hanno una proprietà chiamata "spin". Anche un nucleo, l'ammasso di protoni e neutroni al centro di un atomo, ha "spin" e gli spin degli elettroni e dei nuclei possono influenzarsi a vicenda. Un modo comune in cui un qubit di erbio perde le sue informazioni quantistiche è se il suo spin elettronico interagisce con lo spin nucleare di uno degli atomi attorno ad esso.
Per questo motivo, il ricercatore Jiefei Zhang dell'Argonne ha cercato un materiale ospite per l'erbio che avesse lo spin nucleare più basso possibile, ma che potesse anche essere fabbricato in modo fattibile con tecnologie del silicio più tradizionali. Lo ha trovato con un ossido diverso, questa volta di un elemento delle terre rare:il biossido di cerio, noto anche come ceria (CeO2 ).
Il cerio è l'elemento delle terre rare più abbondante e viene utilizzato come agente ossidante e catalizzatore nella chimica industriale. A differenza del TiO2 , che ha molteplici possibili configurazioni strutturali, CeO2 ne ha solo uno ed è estremamente simmetrico. Per questo motivo, i qubit di erbio in CeO2 sono più stabili.
"Due diversi qubit di erbio nella ceria vedranno lo stesso ambiente cristallino", ha detto Zhang. "E quindi è molto facile controllarli contemporaneamente perché agiranno in modo molto simile."
In particolare, la nuova tecnica di localizzazione sviluppata da memQ non è possibile con una struttura cristallina altamente simmetrica come CeO2 - ma Zhang è stato in grado di vedere tempi di coerenza più lunghi dai qubit di erbio, con un potenziale ancora più lungo mentre continuano a sviluppare l'esperimento. Il lavoro può essere trovato sul server di prestampa arXiv .
"Ci sono sicuramente pro e contro per ogni materiale, e questo è molto comune nel settore quantistico", ha detto Zhang.
Ulteriori informazioni: Sean E. Sullivan et al, Localizzazione quasi deterministica degli emettitori di Er nel film sottile TiO2 attraverso il controllo della fase cristallina su scala submicronica, Lettere di fisica applicata (2023). DOI:10.1063/5.0176610
Jiefei Zhang et al, Coerenza ottica e di spin di Er 3+ in CeO2 epitassiale su silicio, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2309.16785
Informazioni sul giornale: arXiv , Lettere di fisica applicata
Fornito dall'Università di Chicago
