Rappresentazione artistica di due spin di elettroni che comunicano tra loro tramite un "mediatore quantistico". I due elettroni sono intrappolati ciascuno in una nanostruttura a semiconduttore (punto quantico). I due giri interagiscono, e questa interazione è mediata da un terzo, punto quantico vuoto nel mezzo. Nel futuro, l'accoppiamento su distanze maggiori può essere ottenuto utilizzando altri oggetti intermedi per mediare l'interazione. Ciò consentirà ai ricercatori di creare reti bidimensionali di spin accoppiati, che agiscono come bit quantistici in un futuro computer quantistico. Copyright:Tremani/TU Delft.
Le possibilità senza precedenti dei computer quantistici sono attualmente ancora limitate perché lo scambio di informazioni tra i bit in tali computer è difficile, soprattutto su distanze maggiori. Il leader del gruppo di lavoro FOM Lieven Vandersypen e i suoi colleghi del centro di ricerca QuTech e del Kavli Institute for Nanosciences (Delft University of Technology) sono riusciti per la prima volta a consentire a due bit quantistici non vicini sotto forma di spin di elettroni nei semiconduttori di comunicare con l'un l'altro. Pubblicano la loro ricerca il 10 ottobre in Nanotecnologia della natura .
Lo scambio di informazioni è qualcosa a cui pensiamo a malapena in questi giorni. Le persone comunicano costantemente tramite e-mail, applicazioni di messaggistica mobile e telefonate. tecnicamente, sono i bit in quei vari dispositivi che parlano tra loro. "Per un normale computer, questo non pone assolutamente alcun problema, " dice il professor Lieven Vandersypen. "Tuttavia, per il computer quantistico – che è potenzialmente molto più veloce degli attuali computer – lo scambio di informazioni tra bit quantistici è molto complesso, soprattutto sulle lunghe distanze".
Gli elettroni parlano tra loro
All'interno del gruppo di ricerca di Vandersypen, Il dottorando Tim Baart e il postdoc Takafumi Fujita hanno lavorato sulla comunicazione tra bit quantistici. Ogni bit è costituito da un singolo elettrone con una direzione di spin (spin up ='0' e spin down ='1'). "Da ricerche precedenti, sapevamo che due spin di elettroni vicini possono interagire tra loro, ma che questa interazione diminuisce bruscamente con l'aumentare della distanza tra loro, " dice Baart. " Ora siamo riusciti a far comunicare per la prima volta due elettroni non vicini tra loro. Per realizzare questo, abbiamo usato un mediatore quantistico:un oggetto in grado di scambiare le informazioni tra i due spin su una distanza maggiore".
Il chip con i contatti elettrici utilizzato per creare i punti quantici. Credito:Tim Baart.
Mediatore
Baart e Fujita hanno posizionato gli elettroni nei cosiddetti punti quantici, dove erano tenuti in posizione da un campo elettrico. Tra i due punti quantici occupati, hanno posizionato un punto quantico vuoto che potrebbe formare una barriera energetica tra i due spin. "Regolando il campo elettrico attorno al punto quantico vuoto, potremmo consentire agli elettroni di scambiare le loro informazioni di spin tramite il meccanismo di superscambio:quando la barriera energetica viene abbassata, le informazioni di rotazione vengono scambiate, " dice Baart. "Questo fa sì che il punto quantico vuoto agisca come un tipo di mediatore per rendere possibile l'interazione tra i bit quantici. Per di più, possiamo attivare e disattivare questa interazione a piacimento."
Computer quantistico veloce
La ricerca di Vandersypen e Baart costituisce un passo importante nella costruzione di un computer quantistico più grande in cui è essenziale la comunicazione tra bit quantistici su grandi distanze. Ora che il concetto di questo mediatore quantistico è stato dimostrato nella pratica, i ricercatori vogliono aumentare la distanza tra gli spin degli elettroni e posizionare anche altri tipi di "mediatori" tra i bit quantistici.
Tim Baart ha conseguito il dottorato il 23 maggio 2016 per le sue ricerche su questa e altre tecnologie. La sua ricerca è stata finanziata dal Graduate Program dell'Organizzazione olandese per la ricerca scientifica (NWO). Per la fabbricazione del chip, i ricercatori di Delft hanno lavorato a stretto contatto con l'ETH di Zurigo.
