Uno stadio di misurazione ad alta frequenza con qubit di silicio, posizionato all'interno di un frigorifero di diluizione per raffreddare il chip a circa 0,1 gradi sopra lo zero assoluto. Immagine: UNSW / Ken Leanfore

Introduzione

Gli ingegneri quantistici dell’UNSW Sydney hanno creato atomi artificiali in chip di silicio che offrono una migliore stabilità per il calcolo quantistico. In un articolo pubblicato oggi su Nature Communications, i ricercatori di calcolo quantistico dell’UNSW descrivono come hanno creato atomi artificiali in un “quantum dot” di silicio, un piccolo spazio in un circuito quantistico in cui gli elettroni sono usati come qubit (o bit quantistici), le unità di base dell’informazione quantistica.

Atomi artificiali

Il professor Andrew Dzurak di Scientia spiega che a differenza di un atomo reale, un atomo artificiale non ha un nucleo, ma ha ancora gusci di elettroni che sfrecciano intorno al centro del dispositivo, piuttosto che attorno al nucleo dell’atomo

L’idea di creare atomi artificiali usando elettroni non è nuova, infatti è stata inizialmente proposta teoricamente negli anni ’30 e poi dimostrata sperimentalmente negli anni ’90, sebbene non in silicio. Ne abbiamo realizzato una versione rudimentale in silicio nel 2013”, afferma il professor Dzurak, che è un ARC Laureate Fellow ed è anche direttore dell’Australian National Fabrication Facility presso l’UNSW , dove è stato fabbricato il dispositivo a punti quantistici.

Ma ciò che ci entusiasma davvero della nostra ultima ricerca è che gli atomi artificiali con un numero più elevato di elettroni risultano qubit molto più robusti di quanto si pensasse in precedenza, il che significa che possono essere utilizzati in modo affidabile per i calcoli nei computer quantistici. Ciò è significativo perché i qubit basati su un solo elettrone possono essere molto inaffidabili“.

Credits: UNSW Sydney

Chimica 101

Il professor Dzurak paragona i diversi tipi di atomi artificiali, che il suo team ha creato in una sorta di tavola periodica per bit quantistci, che secondo lui è appropriato dato che il 2019 – quando è stato svolto questo lavoro pionieristico – è stato l’anno internazionale della tavola periodica.

Se ripensi alla tua lezione di scienze alle superiori, potresti ricordare una carta polverosa appesa al muro che elencava tutti gli elementi noti nell’ordine di quanti elettroni avevano, iniziando con Idrogeno con un elettrone, Elio con due, Litio con tre e così via. Potresti persino ricordare che quando ogni atomo diventa più pesante, con sempre più elettroni, si organizzano in diversi livelli di orbita“.

Si scopre che quando creiamo atomi artificiali nei nostri circuiti quantistici, hanno anche gusci di elettroni ben organizzati e prevedibili, proprio come fanno gli atomi naturali nella tavola periodica“.

Andre Saraiva, Ross Leon e Andrew Dzurak
Il dott. Andre Saraiva, il sig. Ross Leon e il professor Andrew Dzurak nel laboratorio UNSW, dove hanno condotto gli esperimenti sul loro dispositivo quantistico. Immagine: UNSW / Ken Leanfore

Unisci i punti

Il professor Dzurak e il suo team della School of Electrical Engineering dell’UNSW – incluso lo studente di dottorato Ross Leon, che è anche autore principale della ricerca, e il dott. Andre Saraiva – hanno configurato un dispositivo quantistico in silicio per testare la stabilità degli elettroni negli atomi artificiali.

Hanno applicato una tensione al silicio tramite un elettrodo ‘gate‘ di superficie metallica per attrarre elettroni di “ricambio” dal silicio per formare il quantum dot, uno spazio infinitamente piccolo di soli circa 10 nanometri di diametro.

Man mano che aumentavamo lentamente la tensione, attiravamo nuovi elettroni, uno dopo l’altro, per formare un atomo artificiale nel nostro punto quantistco“, afferma la dott.ssa Saraiva, che ha guidato l’analisi teorica dei risultati.

In un atomo reale, hai una carica positiva nel mezzo, essendo il nucleo, e quindi gli elettroni carichi negativamente sono tenuti attorno ad esso in orbite tridimensionali. Nel nostro caso, piuttosto che dal nucleo positivo, la carica positiva proviene dall’elettrodo del gate che è separato dal silicio da una barriera isolante di ossido di silicio e quindi gli elettroni sono sospesi al di sotto di esso, ciascuno in orbita attorno al centro del punto quantistico. Ma piuttosto che formare una sfera, sono disposti piatti, in un disco“.

Leon, che ha condotto gli esperimenti, afferma che i ricercatori erano interessati a ciò che è accaduto quando un elettrone in più ha iniziato a popolare un nuovo guscio esterno. Nella tavola periodica, gli elementi con un solo elettrone nei loro gusci esterni includono l’idrogeno e i metalli di litio, sodio e potassio.

Quando creiamo l’equivalente di idrogeno, litio e sodio nel punto quantistico, siamo fondamentalmente in grado di utilizzare quell’elettrone solitario sul guscio esterno come qubit“, dice Ross. “Fino ad ora, le imperfezioni dei dispositivi al silicio a livello atomico hanno interrotto il modo in cui si comportano i qubit, portando a operazioni ed errori inaffidabili. Ma sembra che gli elettroni extra nei gusci interni agiscano come un “primer” sulla superficie imperfetta del punto quantistico, levigando le cose e dando stabilità all’elettrone nel guscio esterno“.

Guarda lo spin

Raggiungere la stabilità e il controllo degli elettroni è un passo cruciale affinché i computer quantistici basati sul silicio diventino realtà. Laddove un computer classico utilizza “bit” di informazioni rappresentate da uno 0 o un 1, i qubit in un computer quantistico possono memorizzare valori di 0 e 1 contemporaneamente. Ciò consente a un computer quantistico di eseguire calcoli in parallelo, anziché uno dopo l’altro come farebbe un computer convenzionale. La potenza di elaborazione dei dati di un computer quantistico aumenta quindi in modo esponenziale con il numero di qubit disponibili.

È lo spin di un elettrone che usiamo per codificare il valore del qubit, spiega il professor Dzurak. “Lo spin è una proprietà della meccanica quantistica. Un elettrone si comporta come un piccolo magnete e, a seconda di come gira, il suo polo nord può puntare verso l’alto o verso il basso, corrispondente a un 1 o uno 0. Quando gli elettroni in un atomo reale o nei nostri atomi artificiali formano un guscio completo, allineano i loro poli in direzioni opposte in modo che lo spin totale del sistema sia zero, rendendoli inutili come qubit. Ma quando aggiungiamo un altro elettrone per avviare una nuova shell, questo elettrone in più ha una rotazione che ora possiamo usare di nuovo come qubit.

Il nostro nuovo lavoro dimostra che possiamo controllare lo spin degli elettroni nei gusci esterni di questi atomi artificiali per darci qubit affidabili e stabili. Questo è davvero importante perché significa che ora possiamo lavorare con qubit molto meno fragili. Un elettrone è una cosa molto fragile. Tuttavia un atomo artificiale con 5 elettroni o 13 elettroni è molto più robusto“.

Andre Saraiva, Ross Leon e Andrew Dzurak
Il trio esaminerà successivamente come le regole del legame chimico si applicano agli atomi artificiali per creare molecole artificiali. Immagine: UNSW / Ken Leanfore

Il vantaggio del silicio

Il gruppo del professor Dzurak è stato il primo al mondo a dimostrare la logica quantistica tra due qubit nei dispositivi al silicio nel 2015 e ha anche pubblicato un progetto per un’architettura di chip per computer quantistica su larga scala basata sulla tecnologia CMOS, che è la stessa tecnologia utilizzata per produrre tutti i chip di computer moderni.

Utilizzando la tecnologia CMOS al silicio possiamo ridurre significativamente i tempi di sviluppo dei computer quantistici con i milioni di qubit che saranno necessari per risolvere problemi di rilevanza globale, come la progettazione di nuovi farmaci o nuovi catalizzatori chimici per ridurre il consumo di energia“, dice il professor Dzurak.

In seguito a quest’ultima scoperta, il gruppo esplorerà come le regole del legame chimico si applicano a questi nuovi atomi artificiali, per creare “molecole artificiali“. Questi verranno utilizzati per creare multi-qubit logic gates migliorate, necessarie per la realizzazione di un computer quantistico al silicio su larga scala.

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