Nel campo dell’informatica quantistica, gli sforzi per sviluppare un computer quantistico praticabile e scalabile sono in continuo sviluppo. Recentemente, un team di ricercatori dell’Università di Basilea ha fatto progressi significativi utilizzando i spin di lacune (electron holes) e elettroni per controllare le interazioni tra qubit. Questi risultati, pubblicati sulla rivista Nature Physics, aprono nuove prospettive per l’uso della tecnologia del silicio esistente nella realizzazione di computer quantistici.
I qubit, che rappresentano l’unità fondamentale di elaborazione in un computer quantistico, sono essenziali per il processamento, il trasferimento e la conservazione dei dati. Per essere efficaci, i qubit devono conservare le informazioni in modo affidabile e processarle rapidamente. Ciò richiede interazioni stabili e veloci tra un grande numero di qubit, che devono essere controllati accuratamente da sistemi esterni.
Attualmente, i computer quantistici più avanzati dispongono di solo alcune centinaia di qubit. Questo limite rende tali macchine capaci di eseguire calcoli che i computer convenzionali possono spesso realizzare in modo più efficiente. Per superare questa barriera, è essenziale trovare un modo per integrare milioni di qubit su un singolo chip.
Il team di Basilea, in collaborazione con il NCCR SPIN, ha concentrato i suoi studi sui qubit basati sullo spin degli elettroni e delle lacune, quest’ultime essendo equivalenti agli elettroni mancanti in un semiconduttore. Entrambi gli elettroni e le lacune possiedono uno spin, che può assumere uno dei due stati: su o giù, analogamente agli 0 e 1 dei bit classici. Lo spin delle lacune presenta il vantaggio di poter essere controllato interamente tramite impulsi elettrici, senza la necessità di componenti aggiuntivi come micro-magneti sul chip.
Nel 2022, i fisici di Basilea hanno dimostrato che gli spin delle lacune in un dispositivo elettronico esistente possono essere intrappolati e utilizzati come qubit. Questi dispositivi, noti come FinFETs (transistori ad effetto di campo con alette), sono già integrati negli smartphone moderni e prodotti attraverso processi industriali diffusi. Il Dr. Andreas Kuhlmann e il suo team sono riusciti, per la prima volta, a realizzare un’interazione controllabile tra due qubit all’interno di questa configurazione.
Un computer quantistico necessita di “porte quantistiche” per eseguire calcoli. Queste rappresentano operazioni che manipolano i qubit e li accoppiano tra loro. Come riportato dai ricercatori, è stato possibile accoppiare due qubit e induire un ribaltamento controllato dello spin di uno in base allo stato dello spin dell’altro, un processo noto come ribaltamento dello spin controllato. “Gli spin delle lacune ci permettono di creare porte a due qubit che sono sia veloci che di alta fedeltà. Questo principio rende possibile anche l’accoppiamento di un numero maggiore di coppie di qubit,” afferma Kuhlmann.
L’accoppiamento di due qubit a spin è basato sulla loro interazione di scambio, che avviene tra due particelle indistinguibili che interagiscono tra loro elettrostaticamente. Sorprendentemente, l’energia di scambio delle lacune è non solo controllabile elettricamente, ma anche fortemente anisotropa. Questo è una conseguenza dell’accoppiamento spin-orbita, il che significa che lo stato di spin di una buca è influenzato dal suo movimento nello spazio.
Per descrivere questa osservazione in un modello, fisici sperimentali e teorici dell’Università di Basilea e del NCCR SPIN hanno unito le forze. “L’anisotropia rende possibile le porte a due qubit senza il solito compromesso tra velocità e fedeltà,” dice Kuhlmann. “I qubit basati sugli spin delle lacune non solo sfruttano la produzione collaudata dei chip di silicio, ma sono anche altamente scalabili e si sono dimostrati veloci e robusti negli esperimenti.” Questo studio sottolinea che questo approccio ha grandi possibilità nella corsa allo sviluppo di un computer quantistico su larga scala.