Nuova architettura di calcolo quantistico raggiunge qubit di carica di elettrone con tempo di coerenza di 0,1 millisecondi.

26 ottobre 2023

Questo articolo è stato revisionato secondo il processo editoriale e le politiche di Science X. Gli editor hanno evidenziato i seguenti attributi garantendo la credibilità del contenuto:

• verificato sui fatti
• pubblicazione peer-review
• fonte affidabile
• revisionato

a cura di Joseph E. Harmon, Argonne National Laboratory

La coerenza rappresenta un pilastro della comunicazione efficace, che sia nella scrittura, nel parlare o nel processo delle informazioni. Questo principio si estende ai quantum bit, o qubit, i mattoni fondamentali dei computer quantistici. Un computer quantistico potrebbe un giorno affrontare sfide precedentemente insormontabili nella previsione del clima, nella progettazione di materiali, nella scoperta di farmaci e altro ancora.

Un team guidato dall'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha raggiunto un importante traguardo verso il futuro dei computer quantistici. Hanno esteso il tempo di coerenza per il loro nuovo tipo di qubit a un impressionante 0,1 millisecondi, quasi mille volte migliore del record precedente.

La ricerca è stata pubblicata su Nature Physics.

"Invece di 10-100 operazioni durante i tempi di coerenza dei qubit di carica dell'elettrone convenzionali, i nostri qubit possono eseguirne 10.000 con grande precisione e velocità, " ha detto Dafei Jin, professore presso l'Università di Notre Dame e con una nomina congiunta presso il Centro per i Materiali su Scala Nanometrica dell'Argonne.

Nella vita di tutti i giorni, 0,1 millisecondi sono fugaci come un battito di ciglia. Tuttavia, nel mondo quantistico, rappresenta una finestra abbastanza lunga per permettere a un qubit di eseguire migliaia di operazioni.

A differenza dei bit classici, i qubit sembrano poter esistere in entrambi gli stati, 0 e 1. Per qualsiasi qubit funzionante, mantenere questo stato misto per un tempo di coerenza sufficientemente lungo è imperativo. La sfida sta nel proteggere il qubit dall'incessante rumore disruptivo dell'ambiente circostante.

I qubit del team codificano le informazioni quantistiche negli stati di movimento (carica) dell'elettrone. Per questo motivo sono chiamati qubit di carica.

"Tra i vari qubit esistenti, i qubit di carica dell'elettrone sono particolarmente interessanti per la loro semplicità di fabbricazione e di utilizzo, nonché per la loro compatibilità con le infrastrutture esistenti per i computer classici", ha detto Jin, il principale investigatore del progetto. "Questa semplicità dovrebbe tradursi in un costo ridotto per la costruzione e l'esecuzione di computer quantistici su larga scala."

Jin è un ex scienziato dello staff presso il Centro per i Materiali su Scala Nanometrica (CNM), una struttura di ricerca dell'Ufficio della Scienza del DOE presso l'Argonne. Durante il suo lavoro lì, ha guidato la scoperta del loro nuovo tipo di qubit, segnalato l'anno scorso.

Il qubit del team è un singolo elettrone intrappolato su una superficie di neon solido estremamente pulita nel vuoto. Il neon è importante perché resiste alle perturbazioni dell'ambiente circostante. Il neon è uno degli elementi che non reagisce con altri elementi. La piattaforma al neon protegge il qubit di elettroni e garantisce inherentemente un lungo tempo di coerenza.

"Grazie alle piccole dimensioni degli elettroni singoli sul neon solido, i qubit realizzati con essi sono più compatti e promettenti per la scala fino a qubit collegati multipli", ha detto Xu Han, un ricercatore assistente presso il CNM con una nomina congiunta presso la Scuola di Ingegneria Molecolare Pritzker dell'Università di Chicago. "Queste caratteristiche, insieme al tempo di coerenza, rendono il nostro qubit di elettroni eccezionalmente interessante".

Dopo un'ottimizzazione sperimentale continua, il team non solo ha migliorato la qualità della superficie di neon, ma ha anche ridotto significativamente i segnali disruptivi. Come segnalato su Nature Physics, il loro lavoro è stato ripagato con un tempo di coerenza di 0,1 millisecondi. Ciò rappresenta circa un aumento di mille volte rispetto al valore iniziale di 0,1 microsecondi.

"La lunga durata del nostro qubit di elettroni ci consente di controllare e leggere gli stati singoli del qubit con una fedeltà molto elevata", ha detto Xinhao Li, un assegnista post-dottorato presso l'Argonne e co-primo autore dell'articolo. Questo tempo è ben al di sopra dei requisiti per il computing quantistico.

Un altro attributo importante di un qubit è la sua scalabilità per essere collegato a molti altri qubit. Il team ha raggiunto un traguardo significativo dimostrando che i qubit a due elettroni possono accoppiarsi al medesimo circuito superconduttore in modo tale che le informazioni possano essere trasferite tra di essi attraverso il circuito. Questo segna un passo avanti fondamentale verso l'intrecciamento a due qubit, un aspetto critico del computing quantistico.

Il team non ha ancora ottimizzato completamente il loro qubit di elettroni e continuerà a lavorare per estendere ulteriormente il tempo di coerenza e per intrecciare due o più qubit.

In addition to Jin, Han and Li, Argonne contributors include postdocs Xianjing Zhou and Qianfan Chen. Other contributors include co-corresponding author David I. Schuster, a former physics professor at the University of Chicago now at Stanford University, and Xufeng Zhang, a former staff scientist at CNM and now a professor at Northeastern University. Also listed as authors are Gerwin Koolstra, Ge Yang, Brennan Dizdar, Yizhong Huang and Christopher S. Wang.

The collaborating institutions include Lawrence Berkeley National Laboratory, Massachusetts Institute of Technology, Northeastern University, Stanford University, the University of Chicago and the University of Notre Dame.

Journal information: Nature Physics

Provided by Argonne National Laboratory