I ricercatori hanno iniziato a utilizzare i magneti per intrecciare i qubit, gli elementi costitutivi dei computer quantistici. Questa semplice tecnica potrebbe sbloccare funzionalità complesse.

Quando premi un pulsante per aprire la porta di un garage, non si aprono tutte le porte di garage del quartiere. Questo perché l'apriporta e la porta comunicano utilizzando una specifica frequenza delle microonde, una frequenza che nessun'altra porta vicina utilizza.

I ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), dell'Università di Chicago, dell'Università dell'Iowa e dell'Università di Tohoku in Giappone hanno iniziato a sviluppare dispositivi che potrebbero utilizzare gli stessi principi:inviare segnali attraverso i magneti invece che attraverso l'aria. per connettere singoli qubit attraverso un chip, come riportato in un nuovo articolo pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Questa è una prova di concetto, a temperatura ambiente, di una tecnologia quantistica scalabile e robusta che utilizza materiali convenzionali", ha affermato David Awschalom, professore di ingegneria molecolare e fisica della Liew Family presso la Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago; il direttore del Chicago Quantum Exchange; il direttore di Q-NEXT, un centro nazionale di ricerca sulla scienza dell'informazione quantistica del DOE ospitato ad Argonne; e il ricercatore principale del progetto. "La bellezza di questo esperimento sta nella sua semplicità e nell'uso di una tecnologia consolidata per progettare e infine intrecciare dispositivi quantistici.

Collegare i qubit tramite l’entanglement quantistico è necessario per costruire un computer quantistico, ma spesso può essere complicato. Con i centri di azoto vacante (NV), difetti nel diamante che possono essere utilizzati come qubit, la sfida è che per poter parlare tra loro, devono essere molto, molto vicini tra loro. La normale interazione quantistica tra i centri NV ha una portata massima di soli pochi nanometri (un millesimo della larghezza di un capello) e quando i centri NV sono così vicini tra loro, non possono essere progettati in una configurazione utile.

"Devi essere in grado di mettere le mani sulle cose lì dentro per collegare i fili e realizzare un dispositivo", ha detto Michael Flatté, professore di fisica e astronomia all'Università dell'Iowa che ha contribuito al lavoro. Flatté è anche il capo scienziato della società di tecnologia quantistica QuantCAD LLC, un partner aziendale del Chicago Quantum Exchange. "E i nanometri sono semplicemente troppo vicini per questo."

È qui che entrano in gioco i magneti.

Due anni fa, Flatté e i suoi collaboratori hanno pubblicato un articolo teorico che proponeva di utilizzare un materiale magnetico per creare una connessione quantistica tra i centri NV in modo che potessero essere intrecciati mentre erano più distanti. La normale interazione tra due centri NV coinvolge le microonde. In questo dispositivo proposto, il magnete riceve la microonde dal centro NV e la trasmette tramite "magnon" alla NV sull'altro lato.

In un magnete, gli spin di tutti gli elettroni al suo interno puntano nella stessa direzione, come gli steli di grano che puntano tutti verso l'alto. Un magnon è un leggero disturbo d'onda attraverso quelle rotazioni, come un'onda che il vento farebbe attraverso il campo di grano. I Magnon possono andare molto oltre i nanometri, anche mille volte più lontano, addirittura, fino a molti micrometri.

"La scala micrometrica è piuttosto interessante perché è la scala tipica di molti dispositivi elettronici integrati, come i transistor di silicio in un chip di computer", ha affermato Flatté. "Quindi, se dovessi realizzare oggetti di quelle dimensioni, potresti averne un numero ragionevole su un chip."

Il collegamento dei qubit centrali NV con i magneti consente anche un’interazione selettiva:se due qubit nel computer quantistico comunicassero a una frequenza leggermente diversa, potrebbero intrecciarsi senza disturbare o essere influenzati dagli altri qubit, anche se ce ne fossero altri tra di loro. Questa capacità è estremamente importante per il tipo di lavoro complesso che gli scienziati vogliono che i computer quantistici svolgano.

Questo esperimento di Awschalom e dei suoi collaboratori ha verificato con successo che il centro NV poteva "parlare" con il materiale magnetico, trasmettendo le sue microonde come un magnon. Inoltre, i numeri corrispondevano quasi perfettamente a quanto previsto nel documento teorico di due anni fa.

"Questo lavoro rappresenta una buona sinergia tra esperimento e teoria", ha affermato Masaya Fukami, primo autore dell'articolo. Fukami era un postdoc presso la Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago durante l'esperimento e ora lavora presso la società di informatica quantistica PsiQuantum. "Sono rimasto davvero colpito dalla precisione con cui il modello ha previsto l'esperimento. Mi dà molta fiducia in questo sistema."

Ora che hanno stabilito che il centro NV può comunicare con il magnete, il passo successivo è mettere un altro centro NV dall'altra parte e vedere se il magnete può mediare una connessione quantistica tra i due.

"Questa è la prima modalità di integrazione con i magneti", ha affermato Flatté. "Penso che sia un approccio davvero potente che in linea di principio potrebbe essere applicato anche ad altri sistemi di qubit a stato solido."

Ulteriori informazioni: Masaya Fukami et al, Accoppiamento di qubit mediato da Magnon determinato tramite misurazioni di dissipazione, Atti dell'Accademia nazionale delle scienze (2024). DOI:10.1073/pnas.2313754120

Informazioni sul giornale: Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze

Fornito dall'Università di Chicago