La tecnologia innovativa dei qubit apre la strada a computer quantistici su larga scala
Nel campo dell’informatica quantistica, gli sforzi per sviluppare un computer quantistico praticabile e scalabile sono in continuo sviluppo. Recentemente, un team di ricercatori dell’Università di Basilea ha fatto progressi significativi utilizzando i spin di lacune (electron holes) e elettroni per controllare le interazioni tra qubit. Questi risultati, pubblicati sulla rivista Nature Physics, aprono nuove prospettive per l’uso della tecnologia del silicio esistente nella realizzazione di computer quantistici.
I qubit, che rappresentano l’unità fondamentale di elaborazione in un computer quantistico, sono essenziali per il processamento, il trasferimento e la conservazione dei dati. Per essere efficaci, i qubit devono conservare le informazioni in modo affidabile e processarle rapidamente. Ciò richiede interazioni stabili e veloci tra un grande numero di qubit, che devono essere controllati accuratamente da sistemi esterni.
Attualmente, i computer quantistici più avanzati dispongono di solo alcune centinaia di qubit. Questo limite rende tali macchine capaci di eseguire calcoli che i computer convenzionali possono spesso realizzare in modo più efficiente. Per superare questa barriera, è essenziale trovare un modo per integrare milioni di qubit su un singolo chip.
Il team di Basilea, in collaborazione con il NCCR SPIN, ha concentrato i suoi studi sui qubit basati sullo spin degli elettroni e delle lacune, quest’ultime essendo equivalenti agli elettroni mancanti in un semiconduttore. Entrambi gli elettroni e le lacune possiedono uno spin, che può assumere uno dei due stati: su o giù, analogamente agli 0 e 1 dei bit classici. Lo spin delle lacune presenta il vantaggio di poter essere controllato interamente tramite impulsi elettrici, senza la necessità di componenti aggiuntivi come micro-magneti sul chip.
Nel 2022, i fisici di Basilea hanno dimostrato che gli spin delle lacune in un dispositivo elettronico esistente possono essere intrappolati e utilizzati come qubit. Questi dispositivi, noti come FinFETs (transistori ad effetto di campo con alette), sono già integrati negli smartphone moderni e prodotti attraverso processi industriali diffusi. Il Dr. Andreas Kuhlmann e il suo team sono riusciti, per la prima volta, a realizzare un’interazione controllabile tra due qubit all’interno di questa configurazione.
Un computer quantistico necessita di “porte quantistiche” per eseguire calcoli. Queste rappresentano operazioni che manipolano i qubit e li accoppiano tra loro. Come riportato dai ricercatori, è stato possibile accoppiare due qubit e induire un ribaltamento controllato dello spin di uno in base allo stato dello spin dell’altro, un processo noto come ribaltamento dello spin controllato . “Gli spin delle lacune ci permettono di creare porte a due qubit che sono sia veloci che di alta fedeltà. Questo principio rende possibile anche l’accoppiamento di un numero maggiore di coppie di qubit,” afferma Kuhlmann.
L’accoppiamento di due qubit a spin è basato sulla loro interazione di scambio, che avviene tra due particelle indistinguibili che interagiscono tra loro elettrostaticamente. Sorprendentemente, l’energia di scambio delle lacune è non solo controllabile elettricamente, ma anche fortemente anisotropa. Questo è una conseguenza dell’accoppiamento spin-orbita, il che significa che lo stato di spin di una buca è influenzato dal suo movimento nello spazio.
Per descrivere questa osservazione in un modello, fisici sperimentali e teorici dell’Università di Basilea e del NCCR SPIN hanno unito le forze. “L’anisotropia rende possibile le porte a due qubit senza il solito compromesso tra velocità e fedeltà,” dice Kuhlmann. “I qubit basati sugli spin delle lacune non solo sfruttano la produzione collaudata dei chip di silicio, ma sono anche altamente scalabili e si sono dimostrati veloci e robusti negli esperimenti.” Questo studio sottolinea che questo approccio ha grandi possibilità nella corsa allo sviluppo di un computer quantistico su larga scala.