I ricercatori del MIT di Boston hanno registrato la “coerenza temporale” di un qubit grafene - per quanto tempo mantiene uno stato speciale che gli consente di rappresentare contemporaneamente due stati logici - segnando un passo in avanti critico per il calcolo quantistico pratico
I bit quantistici superconduttori (semplicemente i qubit) sono atomi artificiali che usano vari metodi per produrre bit di informazione quantistica, la componente fondamentale dei computer quantistici. Analogamente ai circuiti binari tradizionali nei computer, i qubit possono mantenere uno dei due stati corrispondenti ai classici bit binari, uno 0 o 1. Ma questi qubit possono anche essere una sovrapposizione di entrambi gli stati contemporaneamente, che potrebbe consentire ai computer quantistici di risolvere problemi complessi che sono praticamente impossibili per i computer tradizionali. La quantità di tempo in cui questi qubit rimangono in questo stato di sovrapposizione viene definito come il loro “tempo di coerenza”. Più lungo è il tempo di coerenza, maggiore è la capacità del qubit di calcolare problemi complessi.
Recentemente, i ricercatori hanno incorporato materiali basati su grafene in dispositivi di calcolo quantistico. Superconduttori che promettono un calcolo più veloce e più efficiente, tra gli altri vantaggi. Fino ad ora, tuttavia, non c'era alcuna coerenza registrata per questi qubit avanzati, quindi non si sa se sono fattibili per il calcolo quantistico pratico.
In un articolo pubblicato su Nature Nanotechnology (1), i ricercatori dimostrano, per la prima volta, un qubit coerente costituito da graphene e altri materiali. Questi materiali consentono al qubit di cambiare stato attraverso la tensione, proprio come i transistor nei chip di computer tradizionali di oggi - e diversamente dalla maggior parte degli altri tipi di qubit superconduttori. Inoltre, i ricercatori hanno assegnato un certo numero a quella coerenza, cronometrandola a 55 nanosecondi, prima che il qubit ritorni al suo stato fondamentale.
Il lavoro ha unito le competenze dei coautori William D. Oliver (2), professore di fisica della pratica al Lincoln Laboratory Fellow, il cui lavoro si concentra sui sistemi di calcolo quantico, e Pablo Jarillo-Herrero (3), professore di fisica Cecil e Ida Green del MIT studiosa che si occupa di ricercare nuovi applicativi in grafene.
«Il nostro scopo è utilizzare le proprietà uniche del grafene per migliorare le prestazioni dei qubit superconduttori», afferma il primo autore Joel I-Jan Wang, post dottorato nel gruppo di William D. Oliver nel Research Laboratory of Electronics (RLE) al MIT. «In questo lavoro, mostriamo per la prima volta che un qubit superconduttore fatto da grafene è temporalmente quantico coerente, un requisito chiave per costruire circuiti quantici più sofisticati. Il nostro è il primo dispositivo per mostrare un tempo di coerenza misurabile - una metrica primaria di un qubit - che è abbastanza lungo da permettere agli umani di controllarsi».
Allo studio hanno partecipato altri 14 coautori, tra cui Daniel Rodan-Legrain, uno studente laureato nel gruppo di JPablo Jarillo-Herrero che ha contribuito allo stesso modo al lavoro con Wang; Ricercatori del MIT del RLE, del Dipartimento di Fisica, del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica e del Lincoln Laboratory; ricercatori del Laboratorio di Solidi Irradiati all'École Polytechnique e del Laboratorio di Materiali Avanzati dell'Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali.
La struttura dei qubit
I qubit superconduttori si basano su una struttura nota come “giunzione Josephson”, in cui un isolante (di solito un ossido) è inserito tra due materiali superconduttori (solitamente alluminio). Nei tradizionali design qubit sintonizzabili, un loop di corrente crea un piccolo campo magnetico che fa sì che gli elettroni saltino avanti e indietro tra i materiali superconduttori, facendo sì che il qubit commuti gli stati. Ma questa corrente che scorre consuma molta energia e causa altri problemi. Recentemente, alcuni gruppi di ricerca hanno sostituito l'isolante con il grafene, uno strato spesso di atomo di carbonio che è poco costoso per la produzione di massa e ha proprietà uniche che potrebbero consentire un calcolo più rapido ed efficiente.
Per fabbricare il loro qubit, i ricercatori si sono rivolti a una classe di materiali, chiamati materiali di van der Waals - materiali sottili come l'atomico che possono essere impilati come i Lego uno sopra l'altro, con poca o nessuna resistenza o danno. Questi materiali possono essere impilati in modi specifici per creare vari sistemi elettronici. Nonostante la loro qualità superficiale quasi impeccabile, solo pochi gruppi di ricerca hanno mai applicato i materiali di van der Waals ai circuiti quantistici e nessuno di essi ha mai mostrato di mostrare coerenza temporale.
Per la loro giunzione 'Josephson', i ricercatori hanno inserito un foglio di grafene tra i due strati di un isolatore di van der Waals chiamato nitruro di boro esagonale (hBN). È importante sottolineare che il grafene assume la superconduttività dei materiali superconduttori che tocca. I materiali selezionati di van der Waals possono essere fatti per introdurre elettroni intorno usando la tensione, invece del tradizionale campo magnetico basato sulla corrente. Pertanto, così può il grafene - e così pure l'intero qubit.
Quando la tensione viene applicata al qubit, gli elettroni rimbalzano avanti e indietro tra due conduttori superconduttori collegati da grafene, cambiando il qubit da terra (0) a stato eccitato o di sovrapposizione (1). Lo strato inferiore di hBN funge da substrato per ospitare il grafene. Lo strato superiore di hBN incapsula il grafene, proteggendolo da qualsiasi contaminazione. Poiché i materiali sono così incontaminati, gli elettroni in movimento non interagiscono mai con i difetti. Questo rappresenta il “trasporto balistico” ideale per i qubit, in cui la maggior parte degli elettroni si sposta da una derivazione superconduttrice a un'altra senza spargersi di impurità, facendo un rapido e preciso cambiamento di stati.
La dissipazione di energia
Secondo Joel I-Jan Wang il lavoro può aiutare ad affrontare il “problema di ridimensionamento” del qubit. Attualmente, solo circa 1.000 qubit possono essere contenuti su un singolo chip. Avere i qubit controllati dalla tensione sarà particolarmente importante dato che milioni di qubit iniziano a essere stipati su un singolo chip. «Senza il controllo del voltaggio, avrai bisogno anche di migliaia o milioni di loop attuali, che occupano molto spazio e portano alla dissipazione di energia», afferma lo scienziato.
Inoltre, controllare la tensione significa raggiungere maggiore efficienza e un targeting più localizzato e preciso dei singoli qubit su un chip, senza “cross talk”. Ciò accade quando un po' del campo magnetico creato dalla corrente interferisce con un qubit che non è mirato, causando problemi di calcolo.
Per ora, il qubit dei ricercatori ha una breve vita. Per riferimento, i qubit superconduttori convenzionali, che si mantengono promettenti per l'applicazione pratica, hanno documentato tempi di coerenza di poche decine di microsecondi, alcune centinaia di volte maggiori rispetto al qubit dei ricercatori.
Ma i ricercatori stanno già affrontando diversi problemi che causano questa breve vita, molti dei quali richiedono modifiche strutturali. Stanno anche usando il loro nuovo metodo di sondaggio della coerenza per indagare ulteriormente su come gli elettroni si muovono balisticamente attorno ai qubit, con l'obiettivo di estendere la coerenza dei qubit in generale.
Riferimenti:
Descrizione foto: I ricercatori del MIT e altrove hanno registrato la "coerenza temporale" di un qubit di grafene - per quanto tempo mantiene uno stato speciale che gli consente di rappresentare due stati logici contemporaneamente - segnando un passo avanti fondamentale per il calcolo quantistico pratico. - Credit: Massachusetts Institute of Technology.
Autore: Edoardo Capuano / Articolo originale: Physicists record “lifetime” of graphene qubits Foto: MIT