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Il suono protegge i qubit: verso chip quantistici più compatti?
I ricercatori della Harvard SEAS hanno usato vibrazioni meccaniche microscopiche per proteggere l’informazione conservata in un qubit nel diamante. Con questa tecnica, il tempo durante il quale il sistema mantiene la propria coerenza quantistica è aumentato di circa tre volte. Il risultato apre una strada verso componenti capaci di custodire e scambiare informazione quantistica direttamente su chip, con strutture potenzialmente più piccole di quelle basate sulla luce.
Lo studio, pubblicato su Nature Physics, nasce nel laboratorio di Marko Lončar. Gli esperimenti sono stati guidati da Eliza Cornell, ora ricercatrice postdoc alla Boston University, e Zhujing Xu, già membro del gruppo di Harvard. Il dispositivo utilizza lo spin di un elettrone associato a un difetto del diamante chiamato centro silicio-vacanza: una struttura atomica che permette di conservare informazione quantistica in un materiale solido.
A collegare questi qubit potrebbero essere i fononi, i quanti delle vibrazioni meccaniche. A parità di frequenza, la loro lunghezza d’onda è molto più corta di quella della luce: i componenti che li utilizzano possono quindi occupare meno spazio ed essere disposti più vicini. Il laboratorio ha già sviluppato cavità fononiche, strutture che intrappolano le vibrazioni e ne rafforzano l’interazione con lo spin. Per chi segue l’hardware, la prospettiva concreta è integrare più elementi quantistici nella stessa superficie.
Questa interazione pone però un problema di memoria. La coerenza quantistica, necessaria per conservare e utilizzare lo stato del qubit, è vulnerabile alle perturbazioni dell’ambiente. La ricerca di segnali fragili accomuna diversi ambiti della fisica, compreso quello delle onde gravitazionali al centro della corsa italiana al telescopio Einstein. Nei qubit si impiegano spesso impulsi a microonde per disaccoppiare la memoria dal rumore circostante, ma queste tecniche funzionano meno bene quando il qubit si trova dentro una cavità fononica.
Il gruppo ha affrontato l’ostacolo applicando un campo meccanico continuo al posto dei consueti impulsi a microonde. Sotto questa sollecitazione, il sistema diventa un dressed qubit, cioè un qubit il cui comportamento viene modificato dall’interazione costante con il campo acustico. In questa condizione è meno sensibile al rumore a bassa frequenza. La protezione ottenuta è compatibile con le cavità destinate a favorire lo scambio di informazione tra nodi quantistici.
La conseguenza tecnologica è la possibilità di affidare alle vibrazioni due compiti: trasportare l’informazione tra componenti e contribuire a proteggerla. Inoltre, i fononi interagiscono sia con gli spin nei solidi sia con i campi elettromagnetici. Questa versatilità potrebbe favorire sistemi quantistici ibridi, nei quali tipi diversi di qubit collaborano all’interno della stessa architettura, sfruttando un’interfaccia meccanica comune.
L’ufficio per il trasferimento tecnologico di Harvard sta perseguendo la protezione brevettuale e opportunità di commercializzazione delle innovazioni nate dalla ricerca. Il risultato sperimentale riguarda però la protezione della coerenza di uno spin: una rete completa su chip che impieghi i fononi sia per collegare sia per proteggere i qubit resta da dimostrare.
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