Un salto di qualità quantistico per i chip di silicio: L’accoppiamento spin-fotone è ora una realtà

La teoria quantistica ha iniziato a prendere forma oltre un secolo fa e da allora è stata oggetto di molteplici studi e osservazioni. Eppure, è solo negli ultimi anni che gli scienziati hanno iniziato a immaginare le applicazioni della meccanica quantistica alla tecnologia, in particolare all’informatica. TU Delft, l’università che ospita il progetto QC-LAB, si è unita alla corsa per costruire computer quantistici efficienti, con risultati notevoli.

I fenomeni quantistici che ci permettono di parlare di una rivoluzione del mondo dei computer così come lo conosciamo sono la sovrapposizione e la correlazione. In un computer classico, un bit può avere uno di due valori possibili: uno o zero. Nel computer quantistico, l’unità di base delle informazioni, conosciuta come bit quantistico o qubit, può essere uno o zero, oppure uno e zero allo stesso tempo. Questa condizione di trovarsi in più stati possibili è nota come sovrapposizione.

Quando i qubit vengono aggiunti al computer, la sua potenza di calcolo aumenta esponenzialmente. Tuttavia, per beneficiare di questo aumento di potenza, i qubit devono essere collegati, anche se sono separati da grandi distanze. Questo fenomeno è definito come correlazione quantistica.

Il computer del futuro

Sfruttando fenomeni come la sovrapposizione e la correlazione, i computer quantistici di domani saranno in grado di risolvere problemi che richiederebbero agli attuali computer mainframe innumerevoli anni di elaborazione, come la fattorizzazione di grandi numeri primi o la ricerca di vasti insiemi di dati non ordinati.

Tuttavia, un computer quantistico in grado di svolgere calcoli così utili dovrebbe avere moltissimi qubit a disposizione, ed è proprio questa necessità di un gran numero di qubit a rappresentare una sfida. Queste fragili unità di informazioni quantistiche devono essere in grado di comunicare in modo efficace per determinare il successo di questi computer.

La promessa del silicio

I chip quantistici memorizzano le informazioni in qubit e sono fatti di silicio. Ampiamente utilizzato nei dispositivi elettronici, il silicio rende possibile lo stoccaggio di informazioni a lungo termine, rendendolo un materiale promettente per le tecnologie quantistiche. Gli scienziati devono però ancora capire come aumentare il numero di spin dei sistemi qubit. Come descritto nello studio pubblicato nella rivista Science, i ricercatori del progetto hanno compiuto un passo in avanti nell’affrontare questo problema dimostrando che un singolo spin elettronico e un singolo fotone a microonde possono essere accoppiati su un chip di silicio. Nelle parole degli autori: «[l]o spin elettronico è intrappolato in un doppio di silicio punto quantico e il fotone a microonde è memorizzato in un risonatore on-chip superconduttore ad alta impedenza». Inoltre, aggiungono che: «La componente del campo elettrico del fotone di cavità accoppia direttamente al dipolo di carica dell’elettrone nel punto doppio e indirettamente allo spin dell’elettrone, attraverso un forte gradiente del campo magnetico locale proveniente da un micromagnete nelle vicinanze». I ricercatori affermano che i risultati ottenuti forniscono una via per realizzare grandi reti di registri quantistici basati su punti di spin dei qubit.

Questo chip quantistico con qubit affidabili in silicio è un importante traguardo nel percorso per ottenere calcoli quantistici scalabili. L’obiettivo del gruppo QC-LAB è sviluppare un circuito a 13-qubit che dimostri un trasferimento di stato quantico a doppio senso tra qubit.

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QC-LAB