Secondo le ultime ricerche, l’atomo di erbio può essere un qubit altamente efficiente nella tecnologia quantistica. Due gruppi di ricerca, tra cui una start-up quantistica fondata da un laureato del Dipartimento di Ingegneria Molecolare dell’Università di Chicago e il laboratorio Argonne del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, hanno utilizzato diversi materiali di supporto per l’erbio per avanzare nella tecnologia quantistica.
I qubit sono le unità di base della tecnologia quantistica e trovare o creare qubit stabili e facilmente manipolabili è uno degli obiettivi principali della ricerca sulla tecnologia quantistica. I ricercatori hanno scoperto che l’atomo di erbio, un metallo delle terre rare talvolta utilizzato nei laser o nella colorazione del vetro, può essere un qubit molto efficiente.
Per creare qubit con l’erbio, gli atomi di erbio vengono collocati in “materiali di supporto”, dove sostituiscono alcuni degli atomi primari del materiale. I due gruppi di ricerca – uno presso la start-up quantistica memQ, fondata da un laureato in Ingegneria Molecolare dell’Università di Chicago di nome Manisha Singha, e l’altro presso il Laboratorio Nazionale Argonne, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti – hanno utilizzato diversi materiali di supporto per l’erbio per avanzare nella tecnologia quantistica. Ciò dimostra la versatilità di questo tipo di qubit e l’importanza delle scienze dei materiali nel campo dei computer quantistici e delle comunicazioni quantistiche.
Entrambi i progetti affrontano le sfide affrontate dai ricercatori dei computer quantistici: progettazione di dispositivi multi-qubit e prolungamento del tempo di conservazione delle informazioni nei qubit.
“Il lavoro svolto da questi scienziati mette davvero in evidenza l’importanza dei materiali per la tecnologia quantistica”, ha dichiarato F. Joseph Heremans, scienziato dell’Argonne e membro della Klub CASE UChicago che ha partecipato a entrambi i progetti. “L’ambiente in cui si trova il qubit è importante quanto il qubit stesso”.
MemQ attiva selettivamente i qubit di erbio, facilitando il controllo dei dispositivi multi-qubit.
L’erbio è popolare come qubit perché può trasmettere efficacemente informazioni quantistiche attraverso lo stesso tipo di cavi in fibra ottica utilizzati per segnali internet e telefonici. Inoltre, gli elettroni dell’erbio sono disposti in modo tale da renderlo particolarmente resistente ai cambiamenti ambientali che possono causare la perdita delle informazioni del qubit.
Tuttavia, il processo di crescita che introduce l’erbio nel materiale di supporto, dispersando atomi di erbio in modo non strettamente controllato dagli scienziati, rende difficile progettare dispositivi multi-qubit. Nella loro tecnica innovativa, gli scienziati di memQ hanno trovato un modo per aggirare questo problema: attivano solo specifici atomi di erbio utilizzando un laser. Questo lavoro è stato recentemente pubblicato nella rivista Applied Physics Letters.
“In realtà non posizioniamo l’erbio in posizioni specifiche; l’erbio è disperso in tutto il materiale”, ha dichiarato Sean Sullivan, CTO e co-fondatore di memQ, un laureato di Duality, un acceleratore per start-up quantistiche guidato dal Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation dell’Università di Chicago e dal Chicago Quantum Exchange in partnership con i partner fondatori, l’Università di Illinois Urbana-Champaign, Argonne e P33. “Ma con il laser possiamo cambiare la struttura cristallina in una specifica area, alterando le proprietà dell’erbio in quella zona. Quindi scegliamo quali atomi di erbio vogliamo utilizzare come qubit.”
La tecnica si basa sulle proprietà del materiale di supporto, il diossido di titanio (TiO2). A causa della sua simmetria, il reticolo cristallino di TiO2 ha due possibili configurazioni. Un atomo di erbio introdotto nel reticolo comunicherà a una frequenza diversa a seconda della configurazione di TiO2 in cui si trova.
Nella tecnica memQ, l’erbio è disperso in uno strato di TiO2, che ha una configurazione. Successivamente, un potente laser viene focalizzato sul cristallo intorno a specifici atomi di erbio, deformando permanentemente il TiO2 nella seconda configurazione solo in quelle aree. Ora, gli atomi di erbio selezionati dal laser possono comunicare alla stessa frequenza, separati dal resto.
Questo nuovo procedimento rappresenta un significativo avanzamento nel campo della tecnologia quantistica, nota come tecnologia degli stati condensati.
“Non puoi utilizzare qubit in 100 posizioni casuali per costruire qualcosa di utile”, ha affermato Manish Singh, CEO e co-fondatore di memQ. “Con la nostra piattaforma, possiamo scegliere quali atomi di erbio utilizzare nel sistema e come vogliamo utilizzarli, un’abilità che è sfuggita alla comunità quantistica per molto tempo.”
Un ricercatore di Argonne ha raggiunto lunghezze di coerenza per i qubit di erbio
Un indicatore chiave dell’efficienza del qubit è il tempo di coerenza, ovvero il tempo in cui può conservare le informazioni quantistiche. Questo è particolarmente importante per i qubit destinati all’uso come memoria quantistica, l’equivalente della memoria dei computer classici. Tuttavia, la coerenza è altamente sensibile: un qubit può perdere coerenza a causa delle interazioni con il suo ambiente, come l’aria o il calore.
Gli atomi di erbio possono conservare informazioni quantistiche attraverso i loro elettroni, che possiedono una proprietà nota come “spin”. Anche il nucleo, un gruppo di protoni e neutroni al centro dell’atomo, ha uno “spin”, e gli spin degli elettroni e del nucleo possono interagire tra loro. Un modo comune per i qubit di erbio di perdere informazioni quantistiche è attraverso l’interazione dello spin degli elettroni con lo spin nucleare di uno degli atomi circostanti.
Per questo motivo, la ricercatrice di Argonne Jiefei Zhang ha cercato un materiale di supporto per l’erbio che avesse lo spin nucleare più basso possibile ma che potesse comunque essere realizzato utilizzando tecnologie al silicio più tradizionali. Lo ha trovato nel caso di un altro ossido, questa volta un elemento delle terre rare: il diossido di cerio (CeO2).
Il cerio, il più abbondante degli elementi delle terre rare, viene utilizzato come ossidante e catalizzatore nell’industria chimica. A differenza del TiO2, che ha molte possibili configurazioni strutturali, CeO2 ne ha solo una ed è estremamente simmetrico. Pertanto, il qubit di erbio in CeO2 è più stabile.
“Due diversi qubit di erbio in cerio vedranno lo stesso ambiente cristallino”, ha detto Zhang. “Ed è per questo che controllarli contemporaneamente è molto facile, in quanto si comportano in modi molto simili.”
È importante notare che la tecnica innovativa di localizzazione sviluppata da memQ non è applicabile a strutture cristalline altamente simmetriche come il CeO2 – tuttavia, Zhang è riuscito ad osservare tempi di coerenza più lunghi per i qubit di erbio, con il potenziale per tempi ancora più lunghi man mano che l’esperimento si sviluppa. Questo lavoro è disponibile sul sito web di memQ.
FAQ
Q: Quali materiali di supporto sono stati utilizzati per creare qubit da atomi di erbio?
A: Due gruppi di ricerca, tra cui la start-up memQ e il Laboratorio Nazionale Argonne, hanno utilizzato rispettivamente il biossido di titanio (TiO2) e il diossido di cerio (CeO2) come materiali di supporto per creare qubit da atomi di erbio.
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