Accoppiamento forte attraverso il trio di spin

I computer quantistici calcolano con bit quantistici o "qubit", ossia stati quantistici di atomi o elettroni, ad esempio, che possono assumere simultaneamente i valori logici "0" e "1". Per combinare molti di questi qubit in un potente computer quantistico, è necessario accoppiarli tra loro a distanze di millimetri o addirittura di diversi metri. Questo può essere ottenuto, ad esempio, in modo simile a quello di un'antenna radio, tramite lo spostamento di cariche con un'onda elettromagnetica. Tuttavia, un tale accoppiamento espone il qubit all'influenza dirompente di campi elettrici indesiderati, che riducono notevolmente la qualità delle operazioni logiche del qubit.

Ricercatori di diverse cattedre dell'ETH di Zurigo, supportati da fisici teorici dell'Università di Sherbrooke in Canada, hanno ora dimostrato come questo problema possa essere aggirato. Hanno trovato un modo per accoppiare un fotone a microonde a un qubit di spin in un punto quantico.

Qubit con carica o spin

Nei punti quantici, gli elettroni vengono prima catturati in strutture semiconduttrici di pochi nanometri, raffreddate a meno di un grado sopra lo zero assoluto. I valori logici 0 e 1 possono ora essere realizzati in due modi diversi. Un qubit è definito dall'elettrone che si trova sul lato destro o sinistro di un doppio punto quantico, oppure dallo spin dell'elettrone, che può essere rivolto verso l'alto o verso il basso.

Nel primo caso, si parla di un qubit di carica, che si accoppia fortemente alle onde elettromagnetiche a causa dello spostamento della carica elettrica. Un qubit di spin, invece, può essere immaginato come un piccolo ago di bussola che punta verso l'alto o verso il basso. Come l'ago di una bussola, lo spin è magnetico e quindi non si accoppia ai campi elettrici ma a quelli magnetici. L'accoppiamento del qubit di spin alla componente magnetica delle onde elettromagnetiche è molto più debole di quello di un qubit di carica alla componente elettrica.

Tre spin per un accoppiamento più forte

Da un lato, ciò significa che un qubit di spin è meno suscettibile alle interferenze e mantiene la sua coerenza (su cui si basa il funzionamento del computer quantistico) per un periodo di tempo più lungo. D'altra parte, è anche molto più difficile accoppiare i qubit di spin tra loro su lunghe distanze utilizzando i fotoni. Per renderlo possibile, tuttavia, il gruppo di ricerca ricorre a un trucco, come spiega Jonne Koski, ricercatore post-dottorando nel gruppo del professor Klaus Ensslin dell'ETH: "Utilizzando non uno ma tre spin per realizzare il qubit, possiamo combinare i vantaggi di un qubit di spin con quelli di un qubit di carica".

In pratica, su un chip di semiconduttore vengono prodotti tre punti quantici, che sono posizionati l'uno vicino all'altro e possono essere controllati applicando tensioni mediante piccoli fili. Gli elettroni con uno spin verso l'alto o verso il basso possono essere intrappolati in ciascuno dei punti quantici. Il trio di spin è anche collegato a un risonatore a microonde tramite uno dei fili. Le tensioni sui punti quantici sono ora impostate in modo da avere un elettrone su ciascuno dei punti quantici e gli spin di due degli elettroni puntano nella stessa direzione, mentre il terzo punta nella direzione opposta.

Trasferimento di carica attraverso il tunnelling

In base alle regole della meccanica quantistica, gli elettroni possono anche fare tunnel avanti e indietro tra i punti quantici con una certa probabilità. Di conseguenza, può accadere che due dei tre elettroni si trovino temporaneamente nello stesso punto quantico, mentre uno rimane vuoto. In questa costellazione, la carica elettrica è ora distribuita in modo non uniforme. Questo spostamento di carica crea a sua volta un dipolo elettrico che può accoppiarsi fortemente al campo elettrico di un fotone a microonde.

Gli scienziati dell'ETH sono riusciti a dimostrare chiaramente questo forte accoppiamento misurando la frequenza di risonanza del risonatore a microonde. Hanno osservato come la risonanza del risonatore fosse divisa dall'accoppiamento con il trio di spin. Dai dati, hanno potuto dedurre che la coerenza del qubit di spin è stata mantenuta per più di 10 nanosecondi.

Trii di spin per bus quantistici

I ricercatori sono fiduciosi che con questa tecnica si possa presto realizzare un percorso di trasmissione di informazioni quantistiche tra due qubit di spin (un cosiddetto bus quantistico). "Per farlo, dobbiamo posizionare due trii di spin alle due estremità del risonatore a microonde e dimostrare che i qubit sono poi accoppiati l'uno all'altro tramite un fotone a microonde", spiega il primo autore dello studio Andreas Landig, dottorando del gruppo di Ensslin. Questo sarebbe un passo importante verso una rete di qubit di spin distribuiti spazialmente". I ricercatori sottolineano inoltre che il loro metodo può essere facilmente trasferito ad altri materiali, come il grafene, ed è quindi molto versatile.

Questo lavoro è stato svolto nell'ambito del Centro Nazionale di Competenza per la Ricerca in Scienza e Tecnologia Quantistica (NCCR QSIT) è stato realizzato. Al progetto hanno partecipato scienziati delle cattedre di Klaus Ensslin, Thomas Ihn, Werner Wegscheider e Andreas Wallraff dell'ETH di Zurigo.