Nuove scoperte sfatano la saggezza precedente secondo cui i qubit a stato solido devono essere super diluiti in un materiale ultra-pulito per ottenere una lunga durata. Invece, stipando un sacco di ioni di terre rare in un cristallo, alcuni formeranno coppie che agiscono come qubit altamente coerenti, mostra un articolo in Nature Physics .
Linee pulite e minimalismo oppure shabby chic vintage? Si scopre che le stesse tendenze che occupano il mondo dell'interior design sono essenziali quando si tratta di progettare gli elementi costitutivi dei computer quantistici.
Come realizzare qubit che conservino le loro informazioni quantistiche abbastanza a lungo da essere utili è uno dei principali ostacoli alla pratica del calcolo quantistico. È ampiamente accettato che la chiave per ottenere qubit con una lunga durata, o "coerenza", sia la pulizia. I qubit perdono informazioni quantistiche attraverso un processo noto come decoerenza quando iniziano a interagire con il loro ambiente.
Quindi, secondo la saggezza convenzionale, tienili lontani gli uni dagli altri e da altre influenze disturbanti e si spera che sopravvivano un po' più a lungo.
In pratica, un approccio così “minimalista” alla progettazione dei qubit è problematico. Trovare materiali ultrapuri adatti non è facile. Inoltre, la diluizione estrema dei qubit rende difficile lo sviluppo di qualsiasi tecnologia risultante. Ora, i risultati sorprendenti dei ricercatori del Paul Scherrer Institute PSI, dell'ETH di Zurigo e dell'EPFL mostrano come i qubit con una lunga durata di vita possano esistere in un ambiente disordinato.
"A lungo termine, come inserirlo in un chip è una questione universalmente discussa per tutti i tipi di qubit. Invece di diluire sempre di più, abbiamo dimostrato un nuovo percorso attraverso il quale possiamo avvicinare i qubit", afferma Gabriel Aeppli, capo della divisione Photon Science del PSI e professore all'ETH di Zurigo e all'EPFL, che ha guidato lo studio.
I ricercatori hanno creato qubit a stato solido dal terbio metallico delle terre rare, drogato in cristalli di fluoruro di ittrio e litio. Hanno dimostrato che all'interno di un cristallo pieno zeppo di ioni di terre rare c'erano gemme di qubit con coerenze molto più lunghe di quanto ci si aspetterebbe normalmente in un sistema così denso.
"Per una data densità di qubit, dimostriamo che è una strategia molto più efficace quella di introdurre ioni di terre rare e raccogliere le gemme dalla spazzatura piuttosto che cercare di separare i singoli ioni gli uni dagli altri mediante diluizione", spiega Markus Müller. , le cui spiegazioni teoriche erano essenziali per comprendere osservazioni sconcertanti.
Come i bit classici che utilizzano 0 o 1 per archiviare ed elaborare informazioni, anche i qubit utilizzano sistemi che possono esistere in due stati, anche se con la possibilità di sovrapposizioni. Quando i qubit vengono creati da ioni di terre rare, in genere, una proprietà dei singoli ioni, come lo spin nucleare, che può puntare verso l'alto o verso il basso, viene utilizzata come sistema a due stati.
Il team potrebbe avere successo con un approccio radicalmente diverso perché, invece di essere formati da singoli ioni, i loro qubit sono formati da coppie di ioni fortemente interagenti. Invece di utilizzare lo spin nucleare dei singoli ioni, le coppie formano qubit basati sulla sovrapposizione di diversi stati del guscio elettronico.
All'interno della matrice cristallina, solo pochi ioni terbio formano coppie. "Se si getta molto terbio nel cristallo, per caso, ci sono coppie di ioni:i nostri qubit. Questi sono relativamente rari, quindi i qubit stessi sono piuttosto diluiti", spiega Adrian Beckert, autore principale dello studio.
Allora perché questi qubit non vengono disturbati dal loro ambiente disordinato? Si scopre che queste gemme, per le loro proprietà fisiche, sono protette dalla spazzatura. Poiché hanno un'energia caratteristica diversa con cui operano, non possono scambiare energia con i singoli ioni di terbio:in sostanza, sono ciechi nei loro confronti.
"Se si crea un'eccitazione su un singolo terbio, questo può facilmente passare a un altro terbio, causando decoerenza", afferma Müller. "Tuttavia, se l'eccitazione è su una coppia di terbio, il suo stato è entangled, quindi vive con un'energia diversa e non può passare ai singoli terbi. Dovrei trovare un'altra coppia, ma non può perché il prossimo uno è molto lontano."
I ricercatori si sono imbattuti nel fenomeno delle coppie di qubit analizzando il fluoruro di ittrio e litio drogato con terbio con la spettroscopia a microonde. Il team utilizza la luce anche per manipolare e misurare gli effetti quantistici nei materiali e si prevede che lo stesso tipo di qubit operi alle frequenze più elevate della luce laser ottica. Ciò è interessante poiché i metalli delle terre rare possiedono transizioni ottiche, che consentono un facile accesso alla luce.
"Alla fine, il nostro obiettivo è quello di utilizzare anche la luce del laser a elettroni liberi a raggi X SwissFEL o Swiss Light Source SLS per testimoniare l'elaborazione delle informazioni quantistiche", afferma Aeppli. Questo approccio potrebbe essere utilizzato per leggere interi insiemi di qubit con luce a raggi X.
Nel frattempo, il terbio è una scelta interessante come drogante:può essere facilmente eccitato dalle frequenze nella gamma delle microonde utilizzate per le telecomunicazioni. È stato durante i test spin echo, una tecnica consolidata per misurare i tempi di coerenza, che il team ha notato picchi strani corrispondenti a coerenze molto più lunghe di quelle sui singoli ioni.
"C'era qualcosa di inaspettato in agguato", ricorda Beckert. Con ulteriori esperimenti di spettroscopia a microonde e un'attenta analisi teorica, potrebbero identificarli come stati di coppia.
Man mano che i ricercatori approfondivano la natura di questi qubit, hanno potuto comprendere i diversi modi in cui erano protetti dall’ambiente e cercare di ottimizzarli. Sebbene le eccitazioni delle coppie di terbio potrebbero essere ben protette dall'influenza di altri ioni di terbio, gli spin nucleari su altri atomi nel materiale potrebbero comunque interagire con i qubit e provocarne la decoerenza.
Per proteggere ulteriormente i qubit dal loro ambiente, i ricercatori hanno applicato un campo magnetico al materiale che è stato sintonizzato per annullare esattamente l’effetto dello spin nucleare del terbio in coppia. Ciò ha prodotto stati di qubit essenzialmente non magnetici, che erano solo minimamente sensibili al rumore proveniente dagli spin nucleari degli atomi "spazzatura" circostanti.
Una volta incluso questo livello di protezione, le coppie di qubit avevano una durata fino a cento volte più lunga dei singoli ioni nello stesso materiale.
"Se avessimo deciso di cercare qubit basati su coppie di terbio, non avremmo preso un materiale con così tanti spin nucleari", afferma Aeppli. "Ciò che dimostra è quanto potente possa essere questo approccio. Con il materiale giusto, la coerenza potrebbe essere ancora più lunga." Armati della conoscenza di questo fenomeno, l'ottimizzazione della matrice è ciò che i ricercatori faranno ora.
Ulteriori informazioni: Emersione di sistemi a due livelli altamente coerenti in una rete quantistica rumorosa e densa, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02321-y
Informazioni sul giornale: Fisica della Natura
Fornito dall'Istituto Paul Scherrer
