Uno splitter controllabile di coppie di Cooper potrebbe separare gli elettroni aggrovigliati su richiesta – Physics World

Uno splitter controllabile di coppie di Cooper potrebbe separare gli elettroni aggrovigliati su richiesta – Physics World

Timestamp: 14 marzo 2024 9:00


Schema che mostra coppie di Cooper divise, rappresentate da palline blu con frecce che indicano la rotazione in direzione opposta, inserite in un computer (quantistico)
Materiale qubit: una figura che mostra schematicamente come le coppie di Cooper divise potrebbero essere inserite in un computer quantistico che funziona con elettroni intrecciati. (Per gentile concessione: Fredrik Brange)

Le particelle entangled – cioè quelle con stati quantistici che rimangono correlati indipendentemente dalla distanza tra loro – sono importanti per molte tecnologie quantistiche. I dispositivi chiamati divisori a coppie di Cooper possono, in linea di principio, generare tali particelle intrecciate separando gli elettroni che si accoppiano all'interno dei materiali superconduttori, ma il processo è stato considerato troppo casuale e incontrollabile per essere di uso pratico.

I fisici a Università Aalto in Finlandia hanno ora presentato una proposta teorica che indica che queste coppie di elettroni potrebbero, in effetti, essere divise su richiesta applicando tensioni dipendenti dal tempo a punti quantici posizionati su entrambi i lati di una striscia superconduttrice. La tecnica, che preserva lo stato entangled degli elettroni separati, potrebbe aiutare lo sviluppo di computer quantistici che utilizzano gli elettroni entangled come bit quantici (qubit).

Quando un materiale superconduttore convenzionale viene raffreddato a temperature molto basse, gli elettroni al suo interno superano la loro mutua repulsione e si accoppiano. Queste cosiddette coppie di Cooper si propagano attraverso il materiale senza alcuna resistenza. Gli elettroni accoppiati sono naturalmente intrecciati, con spin che puntano in direzioni opposte. Estrarre e separare queste coppie di elettroni preservandone l’entanglement sarebbe utile per una serie di applicazioni, incluso l’informatica quantistica, ma farlo non è un compito facile.

Nell'ultimo lavoro, che è dettagliato in Revisione fisica B, fisici guidati dal teorico Cristiano Flindt proporre un nuovo modo di utilizzare uno splitter per coppie Cooper. Il loro design consiste in una striscia superconduttrice che contiene due elettrodi ed è accoppiata a due punti quantici (pezzi nanometrici di materiale semiconduttore) su entrambi i lati della striscia. Quando viene applicata una tensione agli elettrodi, gli elettroni accoppiati di Cooper all'interno del superconduttore vengono attratti dalla punta della striscia superconduttrice e si separano, con ciascun punto quantico che accoglie un elettrone separato alla volta. Questi elettroni separati possono quindi essere trasmessi attraverso un nanofilo.

Tensioni dipendenti dal tempo

La chiave dell'impostazione del team è che la tensione applicata all'elettrodo su un lato della striscia varia nel tempo in modo tale che esattamente due coppie di Cooper vengano divise ed espulse durante ciascuna oscillazione periodica. "Negli esperimenti finora, le tensioni applicate sono state mantenute costanti", spiega Flindt. “Nella nostra proposta, mostriamo come la divisione delle coppie di Cooper può essere controllata con tensioni dipendenti dal tempo applicate al dispositivo”.

Sulla base dei loro calcoli, Flindt e colleghi stimano che il loro splitter a coppia di Cooper potrebbe separare gli elettroni aggrovigliati a una frequenza nell'ordine dei gigahertz. La maggior parte dei computer moderni funziona con cicli di clock compresi in questo intervallo e per molte tecnologie quantistiche è importante disporre di una fonte altrettanto veloce di particelle entangled. In effetti, combinando insieme diversi splitter si potrebbe contribuire a formare la base di un computer quantistico che funziona utilizzando elettroni intrecciati, afferma il team.

Sperimentalisti invitati a “raccogliere il testimone”

I fisici di Aalto decisero di intraprendere il loro studio perché si resero conto che era necessario controllare la scissione delle coppie di Cooper. La loro sfida più grande era capire come variare le tensioni nel tempo in modo tale che le coppie Cooper venissero divise su richiesta. Guardando al futuro, pensano che dovrebbe essere possibile realizzare la loro proposta sperimentalmente e sperano che gli sperimentali “raccolgano il testimone”.

"Sarebbe anche interessante studiare come il nostro divisore di coppia Cooper on-demand possa essere integrato in un circuito elettronico quantistico più grande per sviluppare l'elaborazione delle informazioni quantistiche", dice Flindt. Mondo della fisica.

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