Per 60 anni i computer sono diventati più piccoli, più veloce ed economico. Ma gli ingegneri si stanno avvicinando ai limiti di quanto possono essere piccoli transistor al silicio e quanto velocemente possono spingere l'elettricità attraverso i dispositivi per creare uno e zero digitali.

Questa limitazione è il motivo per cui la professoressa di ingegneria elettrica di Stanford Jelena Vuckovic sta guardando al calcolo quantistico, che si basa sulla luce piuttosto che sull'elettricità. I computer quantistici funzionano isolando gli elettroni rotanti all'interno di un nuovo tipo di materiale semiconduttore. Quando un laser colpisce l'elettrone, rivela da che parte sta ruotando emettendo uno o più quanti, o particelle, di luce. Questi stati di spin sostituiscono quelli e gli zeri dell'informatica tradizionale.

Vuckovic, che è uno dei principali ricercatori mondiali nel campo, detto calcolo quantistico è ideale per studiare i sistemi biologici, fare crittografia o data mining - infatti, risolvere qualsiasi problema con molte variabili.

"Quando si parla di trovare un ago in un pagliaio, è qui che entra in gioco l'informatica quantistica, " lei disse.

Marina Radulaski, un borsista post-dottorato nel laboratorio di Vuckovic, ha affermato che il potenziale di risoluzione dei problemi dei computer quantistici deriva dalla complessità delle interazioni laser-elettrone al centro del concetto.

"Con l'elettronica hai zero e uno, " ha detto Radulaski. "Ma quando il laser colpisce l'elettrone in un sistema quantistico, crea molti possibili stati di spin, e che una maggiore gamma di possibilità costituisce la base per un'elaborazione più complessa."

Catturare gli elettroni

Sfruttare le informazioni basate sulle interazioni di luce ed elettroni è più facile a dirsi che a farsi. Alcune delle principali aziende tecnologiche del mondo stanno cercando di costruire enormi computer quantistici che si basano su materiali super-raffreddati quasi allo zero assoluto, la temperatura teorica alla quale gli atomi cesserebbero di muoversi.

Nei suoi studi di quasi 20 anni, Vuckovic si è concentrato su un aspetto della sfida:creare nuovi tipi di chip per computer quantistici che diventerebbero gli elementi costitutivi dei sistemi futuri.

"Per realizzare appieno la promessa dell'informatica quantistica dovremo sviluppare tecnologie in grado di operare in ambienti normali, " ha detto. "I materiali che stiamo esplorando ci avvicinano alla ricerca del processore quantistico di domani".

La sfida per il team di Vuckovic è sviluppare materiali in grado di intrappolare un singolo, elettrone isolato. Lavorando con collaboratori in tutto il mondo, hanno recentemente testato tre diversi approcci al problema, uno dei quali può funzionare a temperatura ambiente, un passaggio fondamentale se l'informatica quantistica diventerà uno strumento pratico.

In tutti e tre i casi il gruppo è partito da cristalli semiconduttori, materiale con un reticolo atomico regolare come le travi di un grattacielo. Alterando leggermente questo reticolo, cercarono di creare una struttura in cui le forze atomiche esercitate dal materiale potessero confinare un elettrone rotante.

"Stiamo cercando di sviluppare l'unità di lavoro di base di un chip quantistico, l'equivalente del transistor su un chip di silicio, "Vuckovic ha detto.

Punti quantici

Un modo per creare questa camera di interazione laser-elettrone è attraverso una struttura nota come punto quantico. Fisicamente, il punto quantico è una piccola quantità di arseniuro di indio all'interno di un cristallo di arseniuro di gallio. È noto che le proprietà atomiche dei due materiali intrappolano un elettrone rotante.

In un recente articolo su Nature Physics, Kevin Fisher, uno studente laureato nel laboratorio Vuckovic, descrive come i processi laser-elettroni possono essere sfruttati all'interno di un tale punto quantico per controllare l'ingresso e l'uscita della luce. Inviando più potenza laser al punto quantico, i ricercatori potrebbero costringerlo a emettere esattamente due fotoni anziché uno. Dicono che il punto quantico abbia vantaggi pratici rispetto ad altre piattaforme di calcolo quantistico leader, ma richiede ancora il raffreddamento criogenico, quindi potrebbe non essere utile per l'elaborazione generica. Però, potrebbe avere applicazioni nella creazione di reti di comunicazione a prova di manomissione.

Centri colore

In altri due articoli Vuckovic ha adottato un approccio diverso alla cattura degli elettroni, modificando un singolo cristallo per intrappolare la luce in quello che viene chiamato un centro di colore.

In un recente articolo pubblicato su Nano lettere , il suo team si è concentrato sui centri colore in diamante. In natura il reticolo cristallino di un diamante è costituito da atomi di carbonio. Jingyuan Linda Zhang, uno studente laureato nel laboratorio di Vuckovic, ha descritto come un gruppo di ricerca di 16 membri ha sostituito alcuni di quegli atomi di carbonio con atomi di silicio. Questa alterazione ha creato centri di colore che intrappolavano efficacemente gli elettroni rotanti nel reticolo del diamante.

Ma come il punto quantico, la maggior parte degli esperimenti sul centro del colore del diamante richiede il raffreddamento criogenico. Sebbene questo sia un miglioramento rispetto ad altri approcci che richiedevano un raffreddamento ancora più elaborato, Vuckovic voleva fare meglio.

Quindi ha lavorato con un altro team globale per sperimentare un terzo materiale, carburo di silicio. Comunemente noto come carborundum, il carburo di silicio è duro, cristallo trasparente utilizzato per realizzare dischi frizione, pastiglie dei freni e giubbotti antiproiettile. Ricerche precedenti avevano dimostrato che il carburo di silicio poteva essere modificato per creare centri di colore a temperatura ambiente. Ma questo potenziale non era ancora stato reso abbastanza efficiente da produrre un chip quantistico.

Il team di Vuckovic ha espulso alcuni atomi di silicio dal reticolo di carburo di silicio in un modo che ha creato centri di colore altamente efficienti. Hanno anche fabbricato strutture di nanofili attorno ai centri di colore per migliorare l'estrazione dei fotoni. Radulaski fu il primo autore di quell'esperimento, che è descritto in un altro documento di NanoLetters. Ha detto che i risultati netti:un centro colore efficiente, funzionamento a temperatura ambiente, in un materiale familiare all'industria – erano vantaggi enormi.

"Pensiamo di aver dimostrato un approccio pratico alla realizzazione di un chip quantistico, " ha detto Radulaski.

Ma il campo è ancora agli albori e l'intercettazione di elettroni non è un'impresa semplice. Anche i ricercatori non sono sicuri di quale metodo o metodi vinceranno.

"Non sappiamo ancora quale approccio sia il migliore, quindi continuiamo a sperimentare, "Vuckovic ha detto.