I ricercatori devono affrontare grandi ostacoli nell’informatica quantistica

In una serie di trattati, i ricercatori di Rochester riportano progressi significativi nel miglioramento del trasferimento di informazioni nei sistemi quantistici.

La scienza quantistica ha il potenziale per rivoluzionare la tecnologia moderna con computer, comunicazioni e dispositivi di rilevamento più efficienti. Tuttavia, il raggiungimento di questi obiettivi tecnici rimane una sfida, soprattutto per quanto riguarda l’efficace trasferimento di informazioni nei sistemi quantistici.

Un tipico computer è costituito da miliardi di transistor chiamati bit. I computer quantistici, d’altra parte, sono basati su qubit (noti anche come qubit) che possono essere creati da un singolo elettrone.

A differenza dei normali transistor, che sono “0” (off) o “1” (on), i qubit possono essere sia “0” che “1” contemporaneamente. La capacità dei singoli qubit di occupare questi cosiddetti stati di sovrapposizione è supportata dal grande potenziale dei computer quantistici, poiché si trovano in più stati contemporaneamente. Tuttavia, come i computer ordinari, i computer quantistici richiedono un modo per trasferire informazioni quantistiche tra qubit distanti tra loro, il che rappresenta una grande sfida sperimentale.

Viene mostrato un chip semiconduttore di un processore quantistico collegato a un circuito stampato. Crediti: Foto dell’Università di Rochester / J. Adam Fenster

In una serie di trattati pubblicati in Comunicazioni sulla naturaI ricercatori dell’Università di Rochester, tra cui John Nicole, un assistente professore di fisica e astronomia, e gli studenti laureati Yadav Kandel e Heifen Chao, che sono gli autori principali del trattato, Informatica quantistica Migliorando il trasferimento di informazioni tra elettroni in un sistema quantistico.

Utilizzo del nuovo percorso

In un trattato^[1] Per la prima volta, i ricercatori hanno dimostrato un percorso per il trasferimento di informazioni tra bit quantistici utilizzando qubit di spin di elettroni, chiamato trasferimento di stato quantico adiabatico (AQT). A differenza della maggior parte dei metodi di trasferimento di informazioni tra qubit che si basano su impulsi di campo elettrico o magnetico accuratamente sintonizzati, l’AQT è immune agli errori di impulso e al rumore.

Per immaginare come funziona AQT, immagina di guidare la tua auto e di voler parcheggiare. Se non freni al momento giusto, la tua auto non si muoverà come vorresti, il che può essere dannoso. In questo senso, gli impulsi di controllo (pedali del gas e del freno) all’auto devono essere regolati con attenzione. AQT non importa quanto a lungo o forte si preme il pedale. Cioè, l’auto va sempre nel posto giusto. Di conseguenza, AQT ha il potenziale per migliorare il trasferimento di informazioni tra qubit, che è essenziale per le reti quantistiche e la correzione degli errori.

I ricercatori hanno dimostrato l’efficacia dell’AQT utilizzando l’entanglement. L’entanglement è uno dei concetti di base della fisica quantistica in cui le proprietà di una particella influenzano le proprietà di un’altra, anche quando le particelle sono distanti. Utilizzando l’AQT, i ricercatori sono stati in grado di trasferire lo stato di spin quantistico di un elettrone attraverso una catena di quattro elettroni in un punto quantico a semiconduttore. Questa è la catena più lunga di stati di rotazione mai trasferita ed è legata ai record stabiliti dai ricercatori. Prima Natura carta..

“Questa dimostrazione è un’importante pietra miliare nel calcolo quantistico con i qubit di spin, poiché l’AQT è robusto contro gli errori di impulso e il rumore e ha il potenziale per le principali applicazioni nel calcolo quantistico”. dice Nicolò.

Approfitta dello strano stato della materia

In un altro trattato^[2] I ricercatori hanno dimostrato un altro metodo per trasferire informazioni tra qubit utilizzando una sostanza in uno stato esotico chiamato cristallo temporale. Un cristallo temporale è uno strano stato della materia in cui le interazioni tra le particelle che compongono un cristallo stabilizzano la vibrazione del sistema indefinitamente. Immagina un orologio che continua a ticchettare per sempre. Il pendolo di un orologio vibra nel tempo, come un cristallo di tempo che vibra.

Applicando una serie di impulsi di campo elettrico agli elettroni, i ricercatori sono stati in grado di creare uno stato che somigliava a un cristallo del tempo. Hanno scoperto che questo stato potrebbe essere utilizzato per migliorare il movimento dello stato di spin degli elettroni all’interno di una serie di punti quantici di semiconduttori.

“La nostra ricerca è il primo passo per dimostrare che i materiali in stati strani ed esotici, come i cristalli temporali, hanno il potenziale per essere utilizzati in applicazioni di elaborazione delle informazioni quantistiche come il trasferimento di informazioni tra qubit”. Disse Nicole. Mostra anche, in teoria, come questo scenario può implementare altre operazioni qubit singole e multiple che possono essere utilizzate per migliorare le prestazioni dei computer quantistici.

Sia AQT che Time Crystal sono diversi, ma possono essere utilizzati insieme ai sistemi di calcolo quantistico per migliorare le prestazioni.

“Questi due risultati mostrano uno strano e interessante modo in cui la fisica quantistica può inviare informazioni da un luogo all’altro. Costruisce un computer quantistico e una rete praticabili. È una delle sfide principali dell’epoca”, afferma Nicole.

Riferimenti:

Yadav P. Kandel, Haifeng Qiao, Saeed Fallahi, Geoffrey C. Gardner, Michael J. Manfra, John M. Nichol, “Adiabatic Quantum State Transitions in Semiconductor Quantum Dot Spin Chains”, 12 aprile 2021 Comunicazioni sulla natura..
DOI: 10.1038 / s41467-021-22416-5 “Floquet-enhanced spin swaps”, Haifeng Qiao, Yadav P. Kandel, John S. Van Dyke, Saeed Fallahi, Geoffrey C. Gardner, Michael J. Manfra, Edwin Barnes, John M. Nichol, 6 aprile 2021 , Comunicazioni sulla natura..
DOI: 10.1038 / s41467-021-22415-6