I qubit a lunga vita sopravvivono come "isole" in un ambiente rumoroso – Physics World

Il periodo di tempo durante il quale i bit quantistici (qubit) mantengono la loro natura quantistica è cruciale per l’informatica quantistica perché determina il numero e la complessità dei calcoli che possono eseguire. Per decenni, la saggezza convenzionale è stata che aumentare questo cosiddetto tempo di coerenza significava proteggere i qubit gli uni dagli altri e dalle perturbazioni esterne. Ora, tuttavia, i ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer in Svizzera, dell'ETH di Zurigo e dell'EPF di Losanna hanno ribaltato questa idea dimostrando che alcuni qubit possono sopravvivere per periodi più lunghi in un ambiente rumoroso.

Come i computer classici che memorizzano le informazioni in bit con valori pari a 0 o 1, l'informatica quantistica si basa su sistemi che esistono in due possibili stati. La differenza è che i qubit possono anche trovarsi in una sovrapposizione di questi due stati. È questa ambiguità che consente loro di eseguire determinati calcoli molto più rapidamente delle macchine classiche, ma gli stati quantistici sono fragili e tendono a decoerere, nel senso che ritornano a comportarsi come i classici 0 e 1, perdendo le loro preziose informazioni quantistiche.

Nell'ultimo lavoro, i ricercatori guidati dallo scienziato della fotonica Gabriele Aeppli hanno studiato qubit allo stato solido costituiti da ioni terbio drogati in cristalli di fluoruro di ittrio e litio (YLiF₄). Questi ioni possiedono due livelli quantici bassi con una differenza di energia nel dominio della frequenza delle comunicazioni 5G, e sono questi sistemi a due stati che i ricercatori hanno utilizzato come qubit. Hanno scoperto che mentre la maggior parte dei qubit sperimenta solo tempi di coerenza medi, la manciata di qubit che si formano in coppie di ioni terbio situati vicini tra loro risultano essere “squisitamente coerenti”.

Picchi netti e distinti

I ricercatori hanno osservato questi qubit insolitamente coerenti utilizzando la spettroscopia a microonde e le sonde spin echo, che vengono abitualmente impiegate per misurare i tempi di coerenza. Hanno trovato picchi molto netti e distinti nelle loro misurazioni dell’eco, corrispondenti a tempi di coerenza molto più lunghi (100 volte più lunghi in alcuni casi) per i qubit a ioni accoppiati rispetto ai qubit situati a distanze medie dai loro vicini. Il team spiega questi lunghi tempi di coerenza osservando che gli ioni accoppiati non possono scambiare energia con i singoli ioni vicini e quindi non sono disturbati dalle interazioni con essi.

"Lo scopo di questa ricerca era dimostrare che è possibile generare sovrapposizioni quantistiche coerenti di livelli di campo cristallino (diverse organizzazioni a bassa energia degli elettroni sugli ioni delle terre rare), anche a concentrazioni piuttosto elevate di ioni", spiega membro della squadra Markus Muller. "All'inizio, non era del tutto chiaro che saremmo stati in grado di vedere una qualche coerenza in un ambiente così rumoroso ed è stata una scoperta inaspettata che la coerenza era altamente disuniforme tra le entità drogate e che 'isole' di alta coerenza possono sopravvivere."

La scoperta potrebbe informare la progettazione di architetture di calcolo quantistico, aggiunge, in particolare per schemi in cui i qubit vengono impiantati in modo casuale in una matrice host. Altre potenziali applicazioni includono l’utilizzo dei qubit come sensori quantistici per la dinamica magnetica nei loro ambienti. Ciò potrebbe, ad esempio, consentire ai ricercatori di sondare la velocità di diffusione dello spin in sistemi accoppiati casuali e dipolari negli studi sulla localizzazione a molti corpi e il ruolo che le interazioni dipolari svolgono nel degradarla.

Ottimizzazione della sensibilità della coppia di qubit

Guardando al futuro, i ricercatori mirano a ottimizzare la sensibilità delle loro coppie di qubit e a ricreare sovrapposizioni quantistiche di stati elettronucleari locali in materiali ospiti privi di spin nucleare. La rimozione dello spin nucleare ridurrà al minimo le fonti indesiderate di rumore magnetico, che in YLiF₄ derivano principalmente dalla rotazione degli atomi di fluoro.

I qubit di carica ottengono una spinta mille volte superiore

“Cercheremo anche di ottenere simili sovrapposizioni coerenti di stati ionici di diverso momento angolare” rivela Müller. “Questi estenderanno la gamma di frequenze di eccitazione dalla regione delle microonde (30 GHz) che attualmente utilizziamo alla gamma ottica, dove la disponibilità di laser potenti consente tempi di eccitazione più rapidi (frequenze Rabi). In effetti, abbiamo già ottenuto risultati preliminari promettenti in questa direzione”.

Il team sta anche esplorando modi per utilizzare coppie di droganti nel contesto dell'elaborazione o del calcolo delle informazioni quantistiche con droganti nel silicio.

Lo studio è dettagliato in Fisica della natura.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/long-lived-qubits-survive-as-islands-in-a-noisy-environment/