Nanotubi di carbonio come qubit per il calcolo computazionale

A differenza dei bit elettronici, con valore di 0 o 1, i qubit possono assumere uno o entrambi i valori contemporaneamente. A causa di questo caratteristico fenomeno di meccanica quantistica chiamato sovrapposizione, i computer quantistici promettono di essere il futuro in quanto a potenza di calcolo, superando quelli convenzionali. Tuttavia, sono facilmente disturbati e possono perdere la loro sovrapposizione.

I recenti sforzi si sono concentrati sullo spin dell’elettrone per realizzare fisicamente i qubit e sono riusciti nell’inizializzazione, la manipolazione e la lettura di qubit mediante l’utilizzo di elettroni confinati in un ambiente a stato solido. Nell’ambito del progetto CARBONQUBITS (Quantum bits in carbon nanostructures), finanziato dall’UE, gli scienziati hanno prestato attenzione al potenziale unico dei nanotubi di carbonio per la realizzazione di qubit.

Il team CARBONQUBITS ha fatto luce sui meccanismi fisici che influiscono sulla funzionalità dei nanotubi di carbonio con singoli elettroni. I risultati hanno esteso l’attuale comprensione degli esperimenti allo stato dell’arte. In particolare, gli studi teorici hanno dimostrato che l’interazione dello spin di un elettrone intrappolato su un CNT sospeso in una piccola trincea, con le vibrazioni del CNT stesso, può essere molto forte.

In particolare, un CNT fissato a entrambe le estremità può essere portato a oscillare e, come una piccola corda di chitarra, può vibrare per un tempo incredibilmente lungo. Quando il CNT è regolato in modo tale da risuonare all’unisono con lo spin dell’elettrone, il quanto del suono emesso può essere riassorbito e riemesso molte volte prima che vada perso. Il forte accoppiamento potrebbe consentire la comunicazione a lunga distanza tra qubit.

Tuttavia, per essere utile al calcolo quantistico, la scala cronologica relativa alla manipolazione di qubit deve essere molto più breve di quella inerente alla perdita di informazioni. Un modello teorico di recente sviluppo ha dimostrato che il tempo necessario per controllare un qubit basato sullo spin diventata più breve con l’aumento dell’intensità del campo di eccitazione, fino a un determinato valore. Al di sopra di questo valore ottimale, le inversioni di spin diventano sempre più lente.

Infine, gli scienziati hanno studiato il modo in cui lo spin nucleare e le impurità caricate limitino la durata di tali vettori di informazione quantistica. Il progetto CARBONQUBITS ha fatto nuova luce sul calcolo computazionale quantistico in relazione ai CNT, offrendo un modo promettente per manipolare lo spin degli elettroni al fine di rappresentare bit di informazione. Importanti vantaggi seguiranno in quanto alla posizione competitiva del team nell’attuale era dell’emergente informatica quantistica.