Ulteriore miglioramento della vita dei qubit per i futuri computer quantistici

Illustrazione del filtraggio di quasiparticelle indesiderate (sfere rosse) da un flusso di superconduttore coppie di elettroni (sfere blu) utilizzando una pompa a microonde-driven.

Credit: Copyright Philip Krantz, Krantz NanoArte

Un team internazionale di scienziati ha migliorato la vita dei superconduttori nei circuiti quantistici. Una condizione importante per la realizzazione di computer quantistici ad alte prestazioni è che i dati memorizzati rimangono intatti il più a lungo possibile. Il fisico dr.Gianluigi Catelani, a Jülich, ha sviluppato e testato una tecnica che rimuove elettroni spaiati dai circuiti, proprio le particelle conosciute come responsabili nell'accorciare la durata dei  qubit.

I computer quantistici potrebbero un giorno raggiungere velocità di elaborazione significativamente più elevate rispetto ai computer digitali convenzionali nello svolgimento di alcuni tipi di attività.  I circuiti superconduttori appartengono ai candidati più promettenti per l'attuazione dei bit quantistici, noti come qubit, con la quale i computer quantistici possono memorizzare ed elaborare le informazioni. I tassi di errore elevati associati con i qubit precedentemente disponibili hanno finora limitato la dimensione e l'efficienza dei computer quantistici. Il dr. Gianluigi Catelani (Peter Grünberg Institute-PGI-2) a Jülich, insieme ai suoi colleghi ha trovato un modo per prolungare il tempo in cui i circuiti superconduttori sono in grado di memorizzare uno "0" o "1" senza errori . Accanto a Catelani, ha collaborato il team di ricercatori che lavorano negli Stati Uniti (Massachusetts Institute of Technology, Lincoln Laboratory, University of California, Berkeley), Giappone (RIKEN) e Svezia (Chalmers University of Technology).

Quando i materiali superconduttori sono raffreddati al disotto di una temperatura, critica per ogni specifico materiale, gli elettroni si uniscono per formare coppie ; allora la corrente può fluire senza resistenza.Tuttavia, finora non è stato possibile costruire circuiti superconduttori in cui tutti gli elettroni impacchettano insieme, elettroni singoli rimangono spaiati e non sono in grado di fluire senza resistenza. A causa di questi cosiddette quasiparticelle, l'energia viene persa e questo limita la lunghezza di tempo che i circuiti possono memorizzare dati.

E' stata ora sviluppata e testata una tecnica che può rimuovere temporaneamente gli  elettroni spaiati dal circuito; con l'aiuto di impulsi a microonde, sono stati in effetti "pompati fuori". Questo si traduce in un miglioramento di tre volte sulla durata dei qubit.

"La tecnica può in linea di principio essere oggetto di un uso immediato per tutti i "qubit superconduttori", ha spiegato Catelani, che, come fisico teorico ha contribuito alla analisi e l'interpretazione dei dati sperimentali. Tuttavia, ha sottolineato che la durata di qubits è solo uno dei molti ostacoli nello sviluppo di computer quantistici complessi. Inoltre, la nuova tecnica significa che le quasiparticelle non vengono rimossi definitivamente, ma scorrono indietro ancora e ancora. Gli scienziati hanno un'altra soluzione pronta per risolvere questo problema: la tecnica di pompaggio può essere combinato con un altro metodo che intrappola in modo permanente le quasiparticelle. Catelani, insieme ai suoi colleghi di Jülich e Yale, ha già analizzato e testato un tale "trappola" per la quasiparticella .