Calcolo quantistico potrebbe rivoluzionare il nostro mondo. Per compiti specifici e cruciali, promette di essere esponenzialmente più veloce della tecnologia binaria zero o uno che è alla base delle macchine di oggi, dai supercomputer nei laboratori agli smartphone nelle nostre tasche.
Ma lo sviluppo di computer quantistici dipende dalla costruzione di una rete stabile di qubit – o bit quantistici – per archiviare informazioni, accedervi ed eseguire calcoli.
Questa rappresentazione artistica mostra il frazionamento degli elettroni – in cui le cariche fortemente interagenti possono “frazionarsi” in tre parti – nella fase di Hall anomala quantistica frazionaria. Credito immagine: Eric Anderson, Università di Washington
Eppure le piattaforme qubit svelate fino ad oggi hanno un problema comune: tendono ad essere delicate e vulnerabili ai disturbi esterni. Anche un fotone vagante può causare problemi. Lo sviluppo di qubit tolleranti ai guasti, che sarebbero immuni alle perturbazioni esterne, potrebbe essere la soluzione definitiva a questa sfida.
Un team guidato da scienziati e ingegneri dell’Università di Washington ha annunciato un significativo progresso in questa ricerca. In un paio di articoli pubblicati 14 giugno in natura E 22 giugno a Scienzariferiscono che, in esperimenti con scaglie di materiali semiconduttori – ciascuno spesso solo un singolo strato di atomi – hanno rilevato firme di “fractional quantum anomalous Hall” (FQAH).
Le scoperte del team segnano un primo e promettente passo nella costruzione di un tipo di qubit tollerante ai guasti perché gli stati FQAH possono ospitare anyoni – strane “quasiparticelle” che hanno solo una frazione della carica di un elettrone. Alcuni tipi di anyon possono essere utilizzati per creare quelli che vengono chiamati qubit “protetti topologicamente”, che sono stabili contro eventuali piccoli disturbi locali.
“Questo stabilisce davvero un nuovo paradigma per lo studio della fisica quantistica con eccitazioni frazionarie in futuro”, ha affermato Xiaodong Xuil principale ricercatore dietro queste scoperte, che è anche Boeing Distinguished Professor of Physics e professore di scienza dei materiali e ingegneria presso l’UW.
Un computer quantistico di D-Wave – foto illustrativa. Credito immagine: D-Wave tramite FlickrCC BY 2.0
Gli stati FQAH sono correlati a stato di Hall quantistico frazionario, una fase esotica della materia che esiste in sistemi bidimensionali. In questi stati, la conduttività elettrica è vincolata a frazioni precise di una costante nota come quanto di conduttanza.
Ma i sistemi Hall quantistici frazionari in genere richiedono enormi campi magnetici per mantenerli stabili, rendendoli poco pratici per le applicazioni nell’informatica quantistica. Lo stato FQAH non ha tale requisito: è stabile anche “a campo magnetico zero”, secondo il team.
Ospitare una fase così esotica della materia ha richiesto ai ricercatori di costruire un reticolo artificiale con proprietà esotiche. Hanno impilato due scaglie atomicamente sottili del materiale semiconduttore ditellururo di molibdeno (MoTe2) a piccoli angoli di “torsione” reciproci l’uno rispetto all’altro.
Questa configurazione formava un “reticolo a nido d’ape” sintetico per gli elettroni. Quando i ricercatori hanno raffreddato le fette impilate a pochi gradi sopra lo zero assoluto, nel sistema è sorto un magnetismo intrinseco. Il magnetismo intrinseco prende il posto del forte campo magnetico tipicamente richiesto per lo stato di Hall quantistico frazionario.
Usando i laser come sonde, i ricercatori hanno rilevato le firme dell’effetto FQAH, un importante passo avanti nello sbloccare la potenza degli anioni per il calcolo quantistico.
Il team, che comprende anche scienziati dell’Università di Hong Kong, del National Institute for Materials Science in Giappone, del Boston College e del Massachusetts Institute of Technology, immagina il proprio sistema come una potente piattaforma per sviluppare una comprensione più profonda degli anyons, che hanno molto proprietà diverse da particelle comuni come gli elettroni.
Gli anioni sono quasiparticelle – o “eccitazioni” simili a particelle – che possono agire come frazioni di un elettrone. Nel lavoro futuro con il loro sistema sperimentale, i ricercatori sperano di scoprire una versione ancora più esotica di questo tipo di quasiparticella: gli anioni “non abeliani”, che potrebbero essere usati come qubit topologici.
Avvolgere – o “intrecciare” – gli anioni non abeliani l’uno attorno all’altro In questo stato quantico, le informazioni sono essenzialmente “diffuse” sull’intero sistema e resistenti ai disturbi locali – formando la base dei qubit topologici e un importante progresso rispetto alle capacità degli attuali computer quantistici.
“Questo tipo di qubit topologico sarebbe fondamentalmente diverso da quelli che possono essere creati ora”, ha affermato lo studente di dottorato in fisica dell’UW Eric Anderson, autore principale dell’articolo su Science e co-autore principale dell’articolo su Nature.
“Lo strano comportamento degli anioni non abeliani li renderebbe molto più robusti come piattaforma di calcolo quantistico”.
Tre proprietà chiave, che esistevano tutte contemporaneamente nella configurazione sperimentale dei ricercatori, hanno permesso agli stati FQAH di emergere:
- Magnetismo: anche se MoTe2 non è un materiale magnetico, quando hanno caricato il sistema con cariche positive, è emerso un “ordine di rotazione spontaneo” – una forma di magnetismo chiamato ferromagnetismo.
- Topologia: le cariche elettriche all’interno del loro sistema hanno “bande intrecciate”, simili a un nastro di Möbius, che aiuta a rendere il sistema topologico.
- Interazioni: le cariche all’interno del loro sistema sperimentale interagiscono abbastanza fortemente da stabilizzare lo stato FQAH.
Il team spera che, usando il loro approccio, gli anyon non abeliani attendano di essere scoperti.
“Le firme osservate dell’effetto Hall anomalo quantistico frazionario sono stimolanti”, ha affermato lo studente di dottorato in fisica dell’UW Jiaqi Caico-autore principale dell’articolo su Nature e coautore dell’articolo su Science.
“Gli stati quantistici fruttuosi nel sistema possono essere un laboratorio su un chip per scoprire nuova fisica in due dimensioni e anche nuovi dispositivi per applicazioni quantistiche”.
“Il nostro lavoro fornisce una chiara prova degli stati FQAH a lungo ricercati”, ha affermato Xu, che è anche membro del Molecular Engineering and Sciences Institute, dell’Institute for Nano-Engineered Systems e del Clean Energy Institute, tutti presso UW.
“Attualmente stiamo lavorando su misurazioni del trasporto elettrico, che potrebbero fornire prove dirette e inequivocabili di eccitazioni frazionarie a campo magnetico zero”.
Il team ritiene che, con il loro approccio, indagare e manipolare questi insoliti stati FQAH possa diventare un luogo comune, accelerando il viaggio del calcolo quantistico.
Fonte: Università di Washington
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
