Qubit a spin nucleare

Credit: wikipedia.org.

Un team di ricercatori dell’Università di Linköping ha pubblicato nell’aprile del 2013 un articolo su Nature Communication in cui si risolve una difficoltà che rischia di ritardare la costruzione dei computer quantistici: il fatto che le tecniche utilizzate per “controllare” lo stato o, più tecnicamente, la direzione o polarizzazione degli elettroni hanno successo solo a temperature bassissime, vicine allo zero assoluto. Come riuscire a fare la stessa cosa a temperatura ambiente? Cerchiamo di capire meglio i termini del problema.  

Un computer tradizionale processa le informazioni sotto forma di bit, i cui valori sono 0 o 1; per i qubit, invece,  non valgono queste restrizioni. Il nucleo di un atomo somiglia ad un magnete (molto debole). Questo nucleo-magnete può puntare “su” e “giù” (lo spin, appunto o direzione naturale). Un qubit spin-based (basato sullo spin) sfrutta il fatto che gli elettroni e i nuclei atomici possono ruotare attorno ai propri assi sia in senso orario che in senso antiorario (i valori sono equivalenti a 0 e 1), e possono farlo in entrambe le direzioni simultaneamente in virtù del principio di sovrapposizione quantistica. Questo è impensabile per un computer tradizionale. Il vantaggio di utilizzare lo spin nucleare come un qubit è che il nucleo, essendo protetto e quasi impermeabile ai disturbi elettromagnetici, può mantenere le informazioni sensibili intatte all’interno del qubit. Il primo passo nella costruzione di un computer quantistico è assegnare a ciascun qubit un valore ben definito, 1 o 0.  I qubit spin-based richiedono che tutti i nuclei atomici girino nella stessa direzione, o ‘su’ o ‘giù’ (in senso orario o antiorario). Il metodo più comune per la polarizzazione dello spin nucleare è conosciuto come polarizzazione nucleare dinamica: ciò significa che gli spin elettronici influenzano il nucleo facendolo ruotare nella loro tessa direzione.

La polarizzazione nucleare dinamica funziona a temperature bassissime, ma non è ancora stata testata a temperatura ambiente – il che è cruciale per lo sviluppo di computer quantistici. Il problema principale è che l’orientamento dello spin negli elettroni può facilmente essere perso a temperatura ambiente, poiché è sensibile alle influenze esterne. I ricercatori hanno trovato il modo di aggirare questo problema. Già nel 2009 il gruppo di ricerca guidato dal Prof. Weimin Chen ha costruito un filtro rotativo che protegge gli elettroni a temperatura ambiente: il filtro lascia passare solo gli elettroni che hanno la direzione desiderata e funge da barriera nei confronti degli altri.

Usando proprio questo filtro rotativo, i ricercatori sono riusciti a far passare un flusso di elettroni con un dato spin attraverso un materiale (un composto di azoto e arseniuro di gallio). La polarizzazione dello spin nucleare avviene molto rapidamente – potenzialmente in meno di un nanosecondo (un miliardesimo di secondo) – coinvolge elettroni liberi ed avviene per la prima volta in un materiale a temperatura ambiente. In questo esperimento, non solo è stato possibile controllare la direzione del magnete, scrivendo un valore desiderato del suo spin, ma è stato possibile leggere questo valore.

Un qubit nucleare spin-based può memorizzare un gran numero di informazioni e con un’accuratezza superiore a un qubit atomico o elettronico. Il risultato è l’aumento della nostra capacità di eseguire calcoli complessi soprattutto grazie alla possibilità di controllare “coppie di qubit” e assemblare “reti di qubit” (un esempio-base è illustrato nella nella figura).

Which qubit my dear? New method to distinguish between neighbouring quantum bits

La Prof.ssa Michelle Simmons, direttore dell’Australian Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology. (Credit: UNSW).

AUSTRALIA – I bit quantistici, o qubit, sono gli elementi di base di un computer quantistico: si tratta di dispositivi molto potenti che offrono enormi vantaggi per la risoluzione di problemi complessi. La prof.ssa Michelle Simmons, coordinatrice del team di ricerca presso l’Università del New South Wales, ritiene che un qubit basato sullo spin di un singolo elettrone legato a un atomo di fosforo – incardinato in un chip di silicio – sia uno dei sistemi più promettenti per la costruzione di un computer quantistico, soprattutto grazie all’ampio uso di silicio nell’industria microelettronica. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications.  “Tuttavia, per essere in grado di manipolare una coppia di elettroni spin based su singoli qubit atomici, i qubit devono essere collocati con precisione, ad una distanza l’uno dall’altro di poche decine di nanometri”, spiega Michelle Simmons. “Questo pone delle restrizioni e dei problemi tecnici sul piano operativo, e un problema più vasto sulle capacità di controllarli singolarmente quando sono così vicini”.  Il team dell’UNSW, in collaborazione con i teorici del Sandia National Laboratories del New Mexico, sembra aver trovato una soluzione a entrambi i problemi.

Per distinguere qubit adiacenti a solo pochi nanometri di distanza, i ricercatori hanno pensato di ruotarli. Cosa accade? ruotandone uno ruotano a cascata tutti gli altri, e questo rende impossibile non solo controllarli individualmente ma rende nulla la loro capacità computazionale. L’effetto si verifica solo quando ogni singolo elettrone è ospitato all’interno di un atomo di fosforo. Infatti, se ogni elettrone è ospitato da un diverso numero di atomi di fosforo, i qubit risponderanno a diversi campi elettromagnetici, e ogni qubit potrà essere distinto dagli altri.

Paradossalmente, nei sistemi quantistici complessi è più facile controllare gli elettroni proprio facendo leva sullo spin. Un qubit a spin nucleare può memorizzare le informazioni per tempi più lunghi e con maggiore precisione. Ciò permetterà di migliorare notevolmente la nostra capacità di effettuare calcoli quantistici complessi grazie alla creazione di sistemi integrati o strutture di qubit a spin nucleare. Potranno funzionare come processori o come “porte logiche” tra qubit.

Ma i progressi non sono finiti. Un team di ingegneri australiani della University of New South Wales (UNSW) ha costruito un qubitcon il nucleo di un singolo atomo di silicio, promettendo notevoli miglioramenti nell’elaborazione dei dati per l’informatica quantistica. I qubit sono gli elementi costitutivi dei computers quantistici, in grado di offrire enormi vantaggi nell’implementazione di database espansivi, nella crittografia quantistica e nella modellazione dei sistemi su scala atomica – dalle molecole biologiche ai farmaci.

La ricerca, che è stata pubblicata su Nature il 18 Aprile 2013, presenta il primo prototipo al mondo in silicio che è in grado di memorizzare informazioni sfruttando il momento angolare, o spin, di un nucleo atomico. “Abbiamo adattato la tecnologia della risonanza magnetica, comunemente nota per la sua applicazione nelle analisi chimiche per controllare e leggere lo spin di un singolo atomo in tempo reale”, puntualizza il Prof. Andrea Morello della School of Electrical Engineering and Telecommunications (UNSW). Il nucleo di un atomo di fosforo è un magnete estremamente debole, che si può disporre lungo due direzioni naturali, “su” o “giù”. Nello strano mondo dei quanti, il magnete può esistere in entrambi gli stati contemporaneamente – una capacità nota come sovrapposizione quantistica. Le posizioni naturali sono equivalenti a “zero” e “uno” di un codice binario, come quello usato nei computer che utilizziamo quotidianamente. In questo esperimento, i ricercatori hanno controllato la direzione del nucleo, conferendo allo spin un valore in modo da “leggere” il valore che lo spin restituisce – la lettura avviene ruotando il nucleo in un qubit funzionante. “Abbiamo raggiunto una fedeltà di lettura del 99,8%, che fissa un nuovo punto di riferimento per la precisione raggiunta dai qubit in dispositivi solidi”, afferma Andrew Dzurak, direttore dell’Australian National Fabrication Facility (UNSW) luogo in cui i dispositivi sono stati fabbricati.

I qubit a spin nucleare. La precisione raggiunta dal team australiano conferma che questi qubit sono i migliori dispositivi ottenuti fino a questo momento, anche se non sfruttano la cosiddetta “trappola ionica”, una trappola elettromagnetica che cattura gli atomi in una camera in cui è stato riprodotto il vuoto. “Il nostro qubit a spin nucleare opera da un livello simile di precisione, ma non è in una camera a vuoto – è in un chip di silicio che può essere cablato e gestito elettricamente come normali circuiti integrati”, spiega Andrea Morello. “Il silicio è il materiale dominante nel settore della microelettronica, il che significa che il nostro qubit è più compatibile con la tecnologia dell’industria esistente ed è più facilmente realizzabile a scale di grandezza diverse”.

Con questo ultimo risultato il gruppo di ricerca ha approfondito ancora di più la struttura atomica ed è stato in grado di manipolare e misurare la rotazione del nucleo (il risultato è significativo, soprattutto se si considera che il nucleo di un atomo, pur contenendo la maggior parte della sua massa, ha un diametro che è circa un milionesimo del diametro dell’atomo stesso).

Il qubit a spin nucleare può memorizzare le informazioni per tempi più lunghi e con maggiore precisione. Ciò permetterà di migliorare notevolmente la nostra capacità di effettuare calcoli quantistici complessi grazie alla creazione di sistemi integrati o strutture di qubit a spin nucleare. Potranno funzionare come processori o come “porte logiche” tra qubit; la sfida è migliorare ancora le prestazioni passando ad una forma ancora più pura di silicio.

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