La piattaforma informatica a tre qubit è composta da spin di elettroni – Physics World

Alcuni ricercatori della Corea del Sud hanno creato una piattaforma di calcolo quantistico in grado di gestire simultaneamente più bit quantistici (qubit) basati sullo spin. Progettato da Yujeong Bae, Soo-hyon Phark, Andrea Heinrich e colleghi dell'Institute for Basic Science di Seoul, il sistema è assemblato atomo per atomo utilizzando un microscopio a effetto tunnel (STM).

Mentre i computer quantistici del futuro dovrebbero essere in grado di superare i computer convenzionali in determinati compiti, i nascenti processori quantistici di oggi sono ancora troppo piccoli e rumorosi per eseguire calcoli pratici. C’è ancora molto da fare per creare piattaforme qubit praticabili in grado di conservare le informazioni per un tempo sufficientemente lungo da consentire la fattibilità dei computer quantistici.

I qubit sono già stati sviluppati utilizzando diverse tecnologie, inclusi circuiti di supercalcolo e ioni intrappolati. Alcuni fisici sono anche entusiasti di creare qubit utilizzando gli spin dei singoli elettroni, ma tali qubit non sono così avanzati come alcuni dei loro omologhi. Tuttavia, ciò non significa che i qubit basati su spin siano fuori gioco.

“A questo punto, tutte le piattaforme esistenti per l’informatica quantistica presentano grossi inconvenienti, quindi è imperativo studiare nuovi approcci”, spiega Heinrich.

Assemblaggio preciso

Per creare un processore basato sullo spin, i qubit devono essere assemblati con precisione, accoppiati insieme in modo affidabile e gestiti in modo quantistico coerente, il tutto sulla stessa piattaforma. Questo è qualcosa che finora è sfuggito ai ricercatori, secondo il team con sede a Seoul.

I ricercatori hanno creato la loro piattaforma multi-qubit con l’aiuto di un STM, che è un potente strumento per l’imaging e la manipolazione della materia su scala atomica. Quando la punta conduttrice di un STM viene portata molto vicino alla superficie del campione, gli elettroni sono in grado di creare un tunnel quantistico tra la punta e la superficie del campione.

Poiché la probabilità di tunneling dipende fortemente dalla distanza tra punta e superficie, un STM può mappare la topografia su scala nanometrica del campione misurando la corrente di questi elettroni tunneling. I singoli atomi sulla superficie possono anche essere manipolati e assemblati spingendoli in giro dalle forze su scala nanometrica applicate dalla punta.

Usando queste capacità il team ha “dimostrato la prima piattaforma qubit con precisione su scala atomica”, secondo Heinrich. “Si basa sugli spin degli elettroni su superfici, che possono essere posizionate a distanze atomicamente precise l’una dall’altra”.

Qubit sensore

Utilizzando l'STM, i ricercatori hanno assemblato il loro sistema sulla superficie incontaminata di una pellicola a doppio strato di ossido di magnesio. Il sistema include un qubit “sensore”, che è un atomo di titanio con spin 1/2 che si trova direttamente sotto la punta dell’STM. La punta è rivestita di atomi di ferro, il che significa che può essere utilizzata per applicare un campo magnetico locale (vedi figura).

Su entrambi i lati della punta ci sono una coppia di qubit “remoti” – anch’essi atomi di titanio con spin 1/2. Questi sono posizionati a distanze precise dal qubit del sensore, al di fuori della regione in cui può verificarsi il tunneling degli elettroni tra gli atomi.

Per controllare i qubit remoti simultaneamente con il qubit del sensore, il team ha creato un gradiente di campo magnetico posizionando atomi di ferro nelle vicinanze. Gli atomi di ferro si comportano come magneti a singolo atomo perché i loro tempi di rilassamento dello spin superano di gran lunga i tempi di funzionamento dei singoli qubit.

In questo modo, gli atomi di ferro agiscono ciascuno come sostituto della punta STM fornendo un campo magnetico locale statico per allineare gli spin di ciascun qubit remoto. Le transizioni tra gli stati di spin dei qubit vengono eseguite utilizzando la punta STM per applicare impulsi in radiofrequenza al sistema, una tecnica chiamata risonanza di spin elettronico.

Indirizzato e manipolato

Il team ha inizializzato i propri qubit raffreddandoli a 0.4 K, quindi applicando un campo magnetico esterno per portarli nello stesso stato di spin e accoppiarli insieme. Successivamente, lo stato del qubit del sensore dipendeva in modo affidabile dagli stati di entrambi i qubit remoti, ma poteva ancora essere indirizzato e manipolato individualmente dalla punta STM.

Il risultato complessivo è stata una piattaforma di qubit completamente nuova che ha consentito di utilizzare più qubit contemporaneamente. "Il nostro studio ha ottenuto porte a singolo qubit, due qubit e tre qubit con una buona coerenza quantistica", afferma Heinrich.

Aggiunge che “la piattaforma ha i suoi pro e i suoi contro. Tra i professionisti, è atomicamente preciso e quindi può essere facilmente duplicato. Tra gli aspetti negativi, la coerenza quantistica è buona ma deve essere ulteriormente migliorata”.

Se queste sfide potranno essere superate, Heinrich e colleghi vedono un futuro luminoso per il loro sistema.

“Crediamo che questo approccio possa essere facilmente adattato a decine di qubit elettronici”, afferma Heinrich. “Quegli spin elettronici possono anche essere accoppiati in modo controllabile agli spin nucleari, il che potrebbe consentire un’efficiente correzione degli errori quantistici e aumentare lo spazio di Hilbert disponibile per le operazioni quantistiche. Abbiamo appena scalfito la superficie!”

La ricerca è descritta in Scienze.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/three-qubit-computing-platform-is-made-from-electron-spins/