Credit: University of Chicago’s Pritzker School of Molecular Engineering

Introduzione

Se riusciamo a sfruttar la tecnologia quantistica, questa promette nuove fantastiche possibilità. Ma prima di tutto, gli scienziati devono convincere i sistemi quantistici a rimanere bloccati per più di qualche milionesimo di secondo. Un team di scienziati della Pritzker School of Molecular Engineering dell’Università di Chicago ha annunciato la scoperta di una semplice modifica che permette ai sistemi quantistici di rimanere operativi – o “coerenti” – 10.000 volte più a lungo di prima. Sebbene gli scienziati abbiano testato la loro tecnica su una particolare classe di sistemi quantistici chiamati qubit allo stato solido, pensano che dovrebbe essere applicabile a molti altri tipi di sistemi quantistici e potrebbe quindi rivoluzionare la comunicazione, l’elaborazione e il rilevamento quantistico.

Lo studio è stato pubblicato il 13 agosto su Science.

Questa svolta si pongono le basi per nuove ed entusiasmanti strade di ricerca nella scienza quantistica“, ha detto l’autore principale dello studio David Awschalom, il Liew Family Professor in Ingegneria Molecolare, scienziato senior presso l’Argonne National Laboratory e direttore del Chicago Quantum Exchange. “L’ampia applicabilità di questa scoperta, unita ad un’implementazione straordinariamente semplice, permette a questa robusta coerenza di incidere su molti aspetti dell’ingegneria quantistica. Essa consente nuove opportunità di ricerca precedentemente ritenute impraticabili“.

Ingannare il sitema

A livello di atomi, il mondo opera secondo le regole della meccanica quantistica – molto diverso da quello che vediamo intorno a noi nella nostra vita quotidiana. Queste regole diverse potrebbero tradursi in tecnologie come reti virtualmente inattaccabili o computer estremamente potenti; il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha pubblicato un progetto per la futura Internet quantistica in un evento all’UChicago il 23 luglio. Ma le sfide ingegneristiche fondamentali rimangono: gli stati quantistici hanno bisogno di uno spazio estremamente silenzioso e stabile per funzionare, in quanto sono facilmente disturbati dal rumore di fondo proveniente da vibrazioni, variazioni di temperatura o campi elettromagnetici vaganti.

Credit: University of Chicago’s Pritzker School of Molecular Engineering

Così, gli scienziati cercano di trovare il modo di mantenere il sistema coerente il più a lungo possibile. Un approccio comune è quello di isolare fisicamente il sistema dall’ambiente rumoroso, ma questo può essere ingombrante e complesso. Un’altra tecnica consiste nel rendere tutti i materiali quanto più puri possibile, il che può essere costoso. Gli scienziati dell’UChicago hanno preso una strada diversa.

Con questo approccio, non cerchiamo di eliminare il rumore nell’ambiente circostante, ma “inganniamo” il sistema facendogli credere di non sentire il rumore“, ha detto il ricercatore post-dottorato Kevin Miao, il primo autore dell’articolo.

In tandem con i soliti impulsi elettromagnetici usati per controllare i sistemi quantistici, il team ha applicato un ulteriore campo magnetico continuo alternato. Sintonizzando con precisione questo campo, gli scienziati hanno potuto ruotare rapidamente lo spin degli elettroni e permettere al sistema di “sintonizzare” il resto del rumore.

Per avere un’idea del principio, è come sedersi su una giostra con la gente che ti urla intorno“, ha spiegato Miao. “Quando la giostra è ferma, puoi sentirli perfettamente, ma se stai girando rapidamente, il rumore si confonde in sottofondo“.

Questo piccolo cambiamento ha permesso al sistema di rimanere coerenti fino a 22 millisecondi, quattro ordini di grandezza superiori a quelli senza la modifica – e molto più a lungo di qualsiasi sistema di spin degli elettroni precedentemente segnalato. (Per un confronto, un battito di ciglia richiede circa 350 millisecondi). Il sistema è in grado di sintonizzare quasi completamente alcune forme di fluttuazioni di temperatura, vibrazioni fisiche e rumore elettromagnetico, che di solito distruggono la coerenza quantistica.

Scalabilità e applicazioni

La semplice correzione potrebbe sbloccare scoperte in quasi tutti i settori della tecnologia quantistica, hanno detto gli scienziati.

Questo approccio crea un percorso verso la scalabilità“, ha detto Awschalom. “Dovrebbe rendere pratico l’immagazzinamento di informazioni quantistiche nello spin elettronico. Tempi di memorizzazione più lunghi consentiranno operazioni più complesse nei computer quantistici e permetteranno alle informazioni quantistiche trasmesse da dispositivi basati sullo spin di percorrere distanze più lunghe nelle reti“.

Sebbene i loro test siano stati eseguiti in un sistema quantistico allo stato solido che utilizza carburo di silicio, gli scienziati ritengono che la tecnica dovrebbe avere effetti simili in altri tipi di sistemi quantistici, come i bit quantistici superconduttori e i sistemi quantistici molecolari. Questo livello di versatilità è insolito per una tale innovazione ingegneristica.

Ci sono molti candidati per la tecnologia quantistica che sono stati messi da parte perché non sono riusciti a mantenere la coerenza quantistica per lunghi periodi di tempo“, ha detto Miao. “Questi potrebbero essere rivalutati ora che abbiamo questo modo di migliorare massicciamente la coerenza. La parte migliore è che è incredibilmente facile da fare“, ha aggiunto. “La scienza che c’è dietro è intricata, ma la logistica dell’aggiunta di un campo magnetico alternato è molto semplice“.

Citazioni e Approfondimenti

  • Scientists discover way to make quantum states last 10,000 times longer, by Louise Lerner – University of Chicago
  • K. C. Miao et al, “Universal coherence protection in a solid-state qubit,” Science, Aug. 13, 2020. DOI: 10.1126/science.abc5186