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Nella corsa alla costruzione di dispositivi di calcolo quantistico, il silicio inizia a brillare

06 aprile 2022

(Notizie di Nanwerk) in una ricerca pubblicata sulla rivista progresso della scienza (Un processore quantistico al silicio dual-qubit con una precisione operativa di oltre il 99%), i fisici di Princeton hanno utilizzato un dispositivo quantistico al silicio a 2 qubit per raggiungere un livello di precisione senza precedenti.

Con oltre il 99 percento, questa è la massima precisione mai raggiunta per un gate qubit binario a semiconduttore ed è alla pari con i migliori risultati ottenuti dalle tecnologie concorrenti. La fedeltà, una misura della capacità dei qubit di eseguire operazioni prive di errori, è una caratteristica chiave nella ricerca per sviluppare un calcolo quantistico pratico ed efficiente.

I ricercatori di tutto il mondo stanno cercando di capire quali tecnologie, come i qubit superconduttori, gli ioni intrappolati o i qubit di silicio spin, ad esempio, possono essere utilizzate al meglio come unità di base del calcolo quantistico. Altrettanto importante, i ricercatori stanno esplorando tecnologie che avranno il potenziale per scalare in modo più efficiente per uso commerciale.

Gli spin qubit di Silicon stanno guadagnando slancio [in the field]ha affermato Adam Mills, uno studente laureato presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Princeton e autore principale dello studio recentemente pubblicato. “Sembra un grande anno per il silicio in generale.”

Utilizzando un dispositivo al silicio chiamato double quantum dot, i ricercatori di Princeton sono stati in grado di catturare due elettroni e costringerli a interagire. Lo stato di spin di ciascun elettrone può essere utilizzato come qubit e l’interazione tra gli elettroni può legare questi qubit. Questo processo è essenziale per il calcolo quantistico e il team di ricerca, guidato da Jason Petta, Eugene Higgins Professor of Physics all’Università di Princeton, è stato in grado di eseguire questo processo intrecciato con un livello di precisione di oltre il 99,8%.

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dispositivi di calcolo quantistico al silicio È in fase di sviluppo un dispositivo a base di silicio da utilizzare nei computer quantistici. Gli elettrodi di gate mostrati in blu, rosso e verde vengono utilizzati per determinare i potenziali del punto quantico mentre il micromagnete in alto fornisce un gradiente di campo magnetico. L’immagine è stata scattata utilizzando un microscopio elettronico a scansione e i colori sono stati applicati per chiarezza. (Foto: Adam Mills, Università di Princeton)

Un qubit, nei termini più semplici, è una versione quantistica di un bit di computer, che è la più piccola unità di dati in un computer. Come la sua controparte classica, i qubit sono codificati con informazioni che possono avere un valore pari a uno o zero. Ma a differenza di un qubit, un qubit è in grado di sfruttare concetti di meccanica quantistica in modo da poter eseguire compiti che i qubit convenzionali non possono.

“Nei qubit, puoi codificare uno e zero, ma puoi anche avere una sovrapposizione di questi zeri e uno”, ha detto Mills. Ciò significa che ogni qubit può essere sia zero che uno contemporaneamente. Questo concetto, chiamato sovrapposizione, è una caratteristica fondamentale della meccanica quantistica e consente ai qubit di eseguire altre operazioni apparentemente sorprendenti e universali. In pratica, consente a un computer quantistico di avere un vantaggio maggiore rispetto ai computer convenzionali, ad esempio nell’analizzare numeri molto grandi o nell’isolare una soluzione ottimale a un problema.

Lo “spin” in uno spin qubit è il momento angolare di un elettrone. È una proprietà quantistica che appare come un piccolo dipolo magnetico che può essere utilizzato per codificare informazioni. L’analogo classico è un ago della bussola, che ha un polo nord e sud, e ruota per allinearsi con il campo magnetico terrestre. Dal punto di vista quantistico, lo spin di un elettrone può essere allineato con il campo magnetico generato in laboratorio (spin-up), essere diretto in modo antiparallelo al campo (spin-down) o trovarsi in una sovrapposizione quantistica di spin-up e spin-down. Lo spin è una proprietà dell’elettrone imbrigliato nei dispositivi quantistici a base di silicio; Al contrario, i computer convenzionali funzionano manipolando la carica negativa dell’elettrone.

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In generale, Mills ha sottolineato che i qubit di spin di silicio presentano vantaggi rispetto ad altri tipi di qubit. “L’idea è che ogni sistema dovrebbe scalare fino a molti qubit”, ha affermato. “E ora, altri sistemi qubit hanno reali limiti fisici alla scalabilità. Le dimensioni potrebbero essere un vero problema con questi sistemi. C’è solo così tanto spazio in cui puoi stipare queste cose”.

In confronto, i qubit di spin del silicio sono costituiti da singoli elettroni e sono molto piccoli.

“I nostri dispositivi sono larghi solo circa 100 nanometri, mentre i tradizionali qubit superconduttori sono larghi 300 micron, quindi se vuoi guadagnare molto su un chip, sarà difficile usare un approccio superconduttore”, ha detto Beta.

Un altro vantaggio dei qubit rotanti al silicio, ha aggiunto Beta, è che l’elettronica convenzionale di oggi si basa sulla tecnologia del silicio. “La nostra sensazione è che se vuoi davvero generare il milione o dieci milioni di qubit che saranno necessari per fare qualcosa di pratico, accadrà solo in un sistema a stato solido che può essere ampliato utilizzando la produzione di semiconduttori standard del settore”.

Tuttavia, utilizzare spin qubit, come altri tipi di qubit, con un’elevata precisione è stata una sfida per i ricercatori.

“Uno degli svantaggi della tecnologia spin qubit è che la precisione del gate a due qubit fino a poco tempo fa non era così alta”, ha affermato Beta. “Era ben al di sotto del 90 percento nella maggior parte delle prove”.

Ma era una sfida che Peta, Mills e il team di ricerca pensavano potesse essere raggiunta.

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Per eseguire l’esperimento, i ricercatori hanno dovuto prima catturare un singolo elettrone, un compito non semplice.

“Stiamo intrappolando un elettrone, una particella molto piccola, e dobbiamo spostarlo in una certa regione dello spazio e poi farlo ballare”, ha detto Beta.

Per fare ciò, Mills, Peta e i loro colleghi avevano bisogno di costruire una “gabbia”. Questo ha preso la forma di un sottile semiconduttore a base di silicio. Inoltre, il team ha progettato minuscoli elettrodi, che creano il potenziale elettrostatico utilizzato per intrappolare l’elettrone. Insieme, due di queste gabbie, separate da una barriera o cancello, formano il doppio punto quantico.

“Abbiamo due corsi in luoghi adiacenti uno accanto all’altro”, ha detto Peta. Regolando la tensione su queste porte, possiamo temporaneamente unire gli elettroni e farli interagire. Questa è chiamata porta a due qubit.

L’interazione fa sì che ogni qubit sigmoidale si evolva in base allo stato dei qubit di spin vicini, con conseguente entanglement nei sistemi quantistici. I ricercatori sono stati in grado di eseguire questa interazione a due qubit con una precisione superiore al 99%. Ad oggi, questa è la più alta precisione di un gate a 2 qubit mai raggiunta in spin qubit.

I risultati di questa sperimentazione hanno messo la tecnologia – la rotazione di qubit di silicio – alla pari con i migliori risultati ottenuti da altre importanti tecnologie concorrenti, ha affermato Beta. “Questa tecnologia è in forte aumento”, ha detto, “e penso che sia solo questione di tempo prima che sorpassi i sistemi superconduttori”.

Beta ha aggiunto: “Un altro aspetto importante di questo documento è che non è solo una dimostrazione di un gate a 2 qubit ad alta risoluzione, ma questo dispositivo fa tutto. Questa è la prima dimostrazione di un sistema a qubit rotante a semiconduttore in cui abbiamo integrato le prestazioni dell’intero sistema – impostazione dello stato, lettura, controllo di un singolo qubit, controllo di due qubit – il tutto con misure delle prestazioni che superano la soglia necessaria per far funzionare un sistema su scala più ampia.”