I ricercatori dell’UNSW hanno dimostrato diversi modi per scrivere informazioni quantistiche nel silicio per una maggiore flessibilità progettazione di chip quantistici.
Rappresentazione artistica dei 16 stati quantistici dell’atomo di antimonio e di tutti i diversi modi in cui si può salire tra di essi. Credito immagine: UNSW Sydney
Gli ingegneri informatici quantistici dell’UNSW Sydney hanno dimostrato di poter codificare le informazioni quantistiche – i dati speciali in un computer quantistico – in quattro modi unici all’interno di un singolo atomo, all’interno di un chip di silicio.
L’impresa potrebbe alleviare alcune delle sfide legate al funzionamento di decine di milioni di unità di calcolo quantistico in pochi millimetri quadrati di un chip di computer quantistico in silicio.
In un articolo pubblicato recentemente in Comunicazioni sulla natura gli ingegneri hanno descritto come hanno utilizzato i sedici “stati” quantistici di un antimonio atomo per codificare l’informazione quantistica.
L’antimonio è un atomo pesante che può essere impiantato in un chip di silicio, sostituendo uno degli atomi di silicio esistenti. È stato scelto perché il suo nucleo possiede otto stati quantistici distinti, più un elettrone con due stati quantistici, per un totale di 8 x 2 = 16 stati quantistici, tutti all’interno di un solo atomo. Raggiungere lo stesso numero di stati utilizzando semplici bit quantistici – o qubit, l’unità base dell’informazione quantistica – richiederebbe la produzione e l’accoppiamento di quattro di essi.
L’autrice principale, Irene Fernandez de Fuentes, afferma che il team, sotto la guida del professor Andrea Morello di Scientia, ha attinto a più di un decennio di lavoro che aveva stabilito diversi metodi di controllo quantistico per dimostrare che tutti erano possibili all’interno dello stesso atomo. L’atomo di antimonio è stato impiantato nel chip dai colleghi dell’Università di Melbourne, utilizzando le strutture degli Heavy Ion Accelerators presso l’Università Nazionale Australiana.
“In primo luogo, abbiamo dimostrato che potevamo controllare l’elettrone dell’antimonio con un campo magnetico oscillante, simile a quello dell’antimonio svolta nel 2012 che è stata la prima volta che un qubit è stato dimostrato in silicio”, afferma.
“Successivamente abbiamo dimostrato che potevamo usare un campo magnetico per manipolare lo spin del nucleo dell’antimonio. Questo è il metodo di risonanza magnetica standard, utilizzato ad esempio nelle macchine per la risonanza magnetica negli ospedali. Il terzo metodo consisteva nel controllare il nucleo dell’atomo di antimonio con un campo elettrico, qualcosa che è stato scoperto per fortunato incidente nel 2020.
“E il quarto modo era controllare sia il nucleo di antimonio che l’elettrone in opposizione l’uno all’altro, utilizzando un campo elettrico utilizzando i cosiddetti qubit flip-flopche è stato dimostrato da questa squadra l’anno scorso.
“Quest’ultimo esperimento dimostra che tutti e quattro questi metodi possono essere utilizzati nello stesso chip di silicio utilizzando la stessa architettura”.
Il vantaggio di avere quattro metodi diversi è che ciascuno di essi offre agli ingegneri informatici e ai fisici maggiore flessibilità nella progettazione dei futuri chip per il calcolo quantistico.
Ad esempio, la risonanza magnetica è più veloce della risonanza elettrica, ma il campo magnetico si diffonde ampiamente nello spazio, quindi può influenzare anche gli atomi vicini. La risonanza elettrica, sebbene più lenta, può essere applicata molto localmente per selezionare un atomo specifico senza influenzare nessuno dei suoi vicini.
“Con questo grande atomo di antimonio, abbiamo la completa flessibilità di come integrarlo con una struttura di controllo su un chip di silicio”, afferma il prof. Morello.
Perché questo è importante
I computer quantistici del futuro avranno milioni, se non miliardi di qubit che lavoreranno simultaneamente per elaborare numeri e simulare modelli in pochi minuti, ciò che richiederebbe ai supercomputer di oggi centinaia o addirittura migliaia di anni per essere completato. Mentre alcuni team in tutto il mondo hanno fatto progressi con un gran numero di qubit, come Il modello da 70 qubit di Google O La versione di IBM che ne ha più di 1000richiedono spazi molto più ampi affinché i loro qubit funzionino senza interferire tra loro.
Ma l’approccio adottato dal Prof. Morello e altri colleghi all’UNSW è quello di progettare l’informatica quantistica utilizzando la tecnologia già in uso per realizzare computer convenzionali. Anche se i progressi potrebbero essere più lenti in termini di numero di qubit funzionanti, il vantaggio di utilizzare il silicio significherà poter avere milioni di qubit in un millimetro quadrato di chip.
“Stiamo investendo in una tecnologia più difficile e più lenta, ma per ottime ragioni, una delle quali è l’estrema densità di informazioni che sarà in grado di gestire”, afferma il prof. Morello.
“Va benissimo avere 25 milioni di atomi in un millimetro quadrato, ma bisogna controllarli uno per uno. Avere la flessibilità di farlo con campi magnetici, o campi elettrici, o qualsiasi combinazione di essi, ci offrirà molte opzioni con cui giocare quando si espande il sistema”.
Ritorno al laboratorio
Successivamente, il gruppo utilizzerà l’ampio spazio computazionale dell’atomo di antimonio per eseguire operazioni quantistiche molto più sofisticate di quelle consentite dai semplici qubit. Hanno in programma di codificare un qubit “logico” all’interno dell’atomo, un qubit costruito su più di due livelli quantistici, per ottenere una ridondanza sufficiente per rilevare e correggere gli errori non appena si verificano.
“Questa è la prossima frontiera per l’hardware dei computer quantistici pratico e utile”, afferma il prof. Morello. “Essere in grado di costruire un qubit logico con correzione degli errori all’interno di un singolo atomo rappresenterà un’enorme opportunità per espandere l’hardware quantistico in silicio fino al punto in cui diventerà commercialmente utile”.
Fonte: UNSW
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
