Una futura rete quantistica potrebbe diventare meno difficile grazie ai ricercatori dell'Università di Chicago, dell'Argonne National Laboratory e dell'Università di Cambridge.
Un team di ricercatori ha annunciato una svolta nell’ingegneria delle reti quantistiche. "Allungando" sottili pellicole di diamante, hanno creato bit quantistici che possono funzionare con attrezzature e costi significativamente ridotti. La modifica rende anche i bit più facili da controllare.
I ricercatori sperano che i risultati siano stati pubblicati il 29 novembre su Physical Review X , può rendere le future reti quantistiche più fattibili.
"Questa tecnica consente di aumentare drasticamente la temperatura operativa di questi sistemi, al punto che il loro funzionamento richiede un dispendio di risorse molto inferiore", ha affermato Alex High, assistente professore presso la Pritzker School of Molecular Engineering, il cui laboratorio ha condotto lo studio. /P>
I bit quantistici, o qubit, hanno proprietà uniche che li rendono interessanti per gli scienziati che cercano il futuro delle reti informatiche:ad esempio, potrebbero essere resi praticamente impermeabili ai tentativi di hacking. Ma ci sono sfide significative da risolvere prima che possa diventare una tecnologia diffusa e quotidiana.
Uno dei problemi principali risiede nei “nodi” che trasmetterebbero le informazioni lungo una rete quantistica. I qubit che compongono questi nodi sono molto sensibili al calore e alle vibrazioni, quindi gli scienziati devono raffreddarli a temperature estremamente basse per funzionare.
"La maggior parte dei qubit oggi richiedono un frigorifero speciale delle dimensioni di una stanza e un team di persone altamente qualificate per gestirlo, quindi se stai immaginando una rete quantistica industriale in cui dovresti costruirne uno ogni cinque o 10 chilometri, ora puoi stiamo parlando di infrastrutture e manodopera," ha spiegato High.
Il laboratorio di High ha collaborato con i ricercatori dell'Argonne National Laboratory, un laboratorio nazionale del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti affiliato a UChicago, per sperimentare i materiali di cui sono realizzati questi qubit per vedere se potevano migliorare la tecnologia.
Uno dei tipi di qubit più promettenti è quello costituito dai diamanti. Conosciuti come centri di colore del Gruppo IV, questi qubit sono noti per la loro capacità di mantenere l'entanglement quantistico per periodi relativamente lunghi, ma per farlo devono essere raffreddati fino a poco sopra lo zero assoluto.
Il team voleva armeggiare con la struttura del materiale per vedere quali miglioramenti potevano apportare:un compito difficile data la durezza dei diamanti. Ma gli scienziati hanno scoperto che potevano "allungare" il diamante a livello molecolare se mettevano una sottile pellicola di diamante sul vetro caldo. Quando il vetro si raffredda, si restringe a un ritmo più lento rispetto al diamante, allungando leggermente la struttura atomica del diamante:come il pavimento si espande o si contrae mentre la terra si raffredda o si riscalda sotto di esso, ha spiegato High.
Questo allungamento, sebbene allontani gli atomi solo di una quantità infinitesimale, ha un effetto drammatico sul comportamento del materiale.
Innanzitutto, i qubit ora potrebbero mantenere la loro coerenza a temperature fino a 4 Kelvin (o -452°F). È ancora molto freddo, ma può essere ottenuto con attrezzature meno specializzate. "Si tratta di una differenza di un ordine di grandezza in termini di infrastrutture e costi operativi", ha affermato High.
In secondo luogo, la modifica rende possibile anche il controllo dei qubit con le microonde. Le versioni precedenti dovevano utilizzare la luce nella lunghezza d'onda ottica per inserire informazioni e manipolare il sistema, il che introduceva rumore e significava che l'affidabilità non era perfetta. Utilizzando il nuovo sistema e le microonde, invece, la fedeltà è arrivata al 99%.
È insolito vedere miglioramenti in entrambe queste aree contemporaneamente, ha spiegato Xinghan Guo, Ph.D. studente di fisica nel laboratorio della High e primo autore dell'articolo.
"Di solito, se un sistema ha una durata di coerenza più lunga, è perché è bravo a 'ignorare' le interferenze esterne, il che significa che è più difficile da controllare, perché resiste a tali interferenze", ha detto. "È davvero entusiasmante che, apportando un'innovazione fondamentale alla scienza dei materiali, siamo riusciti a superare questo dilemma."
"Comprendendo la fisica in gioco per i centri di colore del Gruppo IV nel diamante, abbiamo adattato con successo le loro proprietà alle esigenze delle applicazioni quantistiche", ha affermato Benjamin Pingault, scienziato dell'Argonne National Laboratory, anche lui coautore dello studio.
"Con la combinazione di tempo coerente prolungato e controllo quantistico fattibile tramite microonde, il percorso verso lo sviluppo di dispositivi a base di diamante per reti quantistiche è chiaro per i centri di stagno vacanti", ha aggiunto Mete Atature, professore di fisica all'Università di Cambridge e coautore. sullo studio.
Ulteriori informazioni: Xinghan Guo et al, Controllo quantistico basato su microonde e protezione della coerenza di qubit di spin con posti vacanti di stagno in un'eterostruttura a membrana di diamante sintonizzata con tensione, Revisione fisica X (2023). DOI:10.1103/PhysRevX.13.041037
Informazioni sul giornale: Revisione fisica X
Fornito dall'Università di Chicago
