Diamond Qubits salgono sul palco

Tempo di lettura: 4 minuti

Negli anni a venire, i computer quantistici e le reti quantistiche potrebbero essere in grado di affrontare compiti inaccessibili ai sistemi informatici tradizionali. Ad esempio, potrebbero essere utilizzati per simulare questioni complesse o consentire comunicazioni fondamentalmente sicure.

I mattoni elementari dei sistemi di informazione quantistica sono noti come qubit. Affinché la tecnologia quantistica diventi una realtà tangibile, i ricercatori dovranno identificare strategie per controllare molti qubit con tassi di precisione molto elevati.

Gli spin di singole particelle nei solidi, come elettroni e nuclei, hanno recentemente mostrato grandi promesse per lo sviluppo di reti quantiche. Mentre alcuni ricercatori sono stati in grado di dimostrare un controllo elementare di questi qubit, finora nessuno ha riportato stati quantici intrecciati contenenti più di tre spin.

Al fine di raggiungere il potere computazionale necessario per completare compiti complessi, i registri quantistici dovrebbero essere significativamente più grandi di quelli realizzati finora. Tuttavia, controllare i singoli giri all’interno di sistemi quantistici complessi e fortemente interagenti si è finora rivelato molto impegnativo.

Di recente, un team di ricercatori di TU Delft ed Element Six ha dimostrato con successo un registro di spin a dieci qubit completamente controllabile con una memoria quantistica fino a un minuto. Le loro scoperte, presentate in un articolo pubblicato su Physical Review X , potrebbero spianare la strada allo sviluppo di registri quantistici più grandi e tuttavia controllabili, aprendo alla fine nuove entusiasmanti possibilità per il calcolo quantistico .

“L’obiettivo principale del nostro studio era realizzare un sistema controllato con precisione di una grande quantità di qubit usando gli spin di atomi incorporati in un diamante”, ha detto  Tim Taminiau, uno dei ricercatori che ha effettuato lo studio. “Questi spin sono promettenti bit quantici per il calcolo quantistico e le reti quantistiche, ma i risultati precedenti erano limitati a pochi qubit. La sfida aperta è che da un lato, tutti gli spin nel sistema devono essere accoppiati per funzionare come un singolo processore quantico, ma d’altra parte, ciò rende difficile controllarli selettivamente con alta precisione. ”

Taminiau e i suoi colleghi hanno sviluppato con successo un metodo completamente nuovo per controllare più qubit. Questa tecnica utilizza un qubit di spin elettronico per controllare selettivamente molti qubit di spin nucleari individuali, mentre contemporaneamente li disaccoppia e li protegge da interazioni indesiderate nel sistema.

Usando il loro metodo, i ricercatori sono stati in grado di controllare un numero notevolmente maggiore di giri rispetto agli studi precedenti, con una precisione notevolmente elevata. Hanno applicato la loro tecnica a un sistema composto da 10 giri associati a un centro di azoto-vuoto (NV) in diamante. Questo centro NV ha una rotazione di elettroni che fornisce un qubit che può essere letto otticamente (cioè uno può determinare il suo valore) e che può essere controllato con impulsi a microonde.

“Questa rotazione di elettroni si accoppia a spin nucleari nell’ambiente”, Conor Bradley, Ph.D. studente e autore principale dello studio, ha spiegato. “Uno di questi spin nucleari è lo spin nucleare di azoto intrinseco della NV. Gli ulteriori 8 qubit sono spin nucleari carbonio-13 che circondano la NV. Naturalmente circa l’1,1 percento degli atomi di carbonio nel diamante sono carbonio-13 e hanno una rotazione, cioè può essere usato come un qubit, gli altri atomi di carbonio sono carbonio-12 e non hanno effetti “.

Sebbene i ricercatori abbiano applicato il loro metodo a uno specifico sistema da 10 qubit, ritengono che potrebbe essere implementato anche su altri sistemi, inclusi altri centri di difetto nel carburo di diamante e silicio, punti quantici e donatori in silicio. I qubit ospitati da questi altri sistemi hanno ciascuno i propri punti di forza per il completamento di una varietà di compiti complessi.

“Il principale risultato del nostro studio è un sistema quantico a 10 spin-qubit in grado di memorizzare informazioni quantistiche per tempi molto lunghi fino a 75 secondi”, ha affermato Taminiau. “Sebbene altri ricercatori siano stati in grado di ottenere risultati simili con gli ioni intrappolati nel vuoto, questa combinazione di molti qubit, controllo preciso e memoria quantistica di lunga durata è unica per i bit quantici basati su chip.”

Il sistema dimostrato da Taminiau e dai suoi colleghi potrebbe essere un elemento chiave per reti quantistiche di grandi dimensioni in cui più centri NV, ciascuno con diversi qubit, sono collegati otticamente. Questa particolare capacità era già stata delineata e dimostrata dai ricercatori in uno studio precedente .

“Oltre all’importanza di questo studio come dimostrazione di sistemi informativi quantistici più ampi, questo lavoro fornisce anche nuove intuizioni sulla decoerenza, la perdita di informazioni quantistiche per gli spin nei solidi”, ha detto Taminiau.

I risultati raccolti da questo team di ricercatori evidenziano la fattibilità dello studio di come gli stati intricati di spin qubit multipli decadono, così come le correlazioni nell’ambiente di rumore possono svolgere un ruolo vitale in questo processo. Il metodo che hanno sviluppato apre anche nuove possibilità per il rilevamento quantistico e l’imaging su scala atomica di singoli spin, in cui l’obiettivo non è di controllare gli spin ma piuttosto di rilevarli, al fine di raccogliere informazioni su campioni interessanti per studi in chimica, biologia e scienza materiale.

Nelle loro ricerche future, Taminiau e i suoi colleghi hanno in programma di dimostrare una tecnica chiamata correzione dell’errore quantistico. Questo particolare tipo di correzione degli errori potrebbe aiutare a superare tutte le inevitabili imperfezioni dei sistemi quantistici esistenti, consentendo in definitiva la creazione di sistemi quantistici su larga scala.

“Ciò richiederà la codifica degli stati quantistici su molti qubit e l’esecuzione di misurazioni accurate per rilevare e correggere gli errori senza disturbare le informazioni codificate”, ha aggiunto Taminiau. “Questo è stato finora irraggiungibile per qualsiasi sistema, ma i nostri risultati ora rendono possibile perseguire questo usando giri nel diamante.”