Dal diamante un passo avanti verso il computer quantistico.

Fonte: Le Scienze

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Un "trucco" basato sullo sfruttamento di impurità nel reticolo cristallino del diamante è riuscito a superare il problema di manipolare gli stati di entanglement in strutture allo stato solido e a temperatura ambiente senza contemporaneamente distruggerli. Il risultato rappresenta un passo importante verso lo sviluppo tecnologico di computer quantistici.
La prima dimostrazione certa della creazione di uno stato di entanglement fra spin nucleari in un solido è stata realizzata da un gruppo di ricerca del Politecnico di Delft, nei Paesi Bassi, che ne dà notizia in un articolo pubblicato su “Nature Physics”. Il risultato rappresenta un passo importante verso lo sviluppo tecnologico di computer quantistici allo stato solido a temperatura ambiente e di altre tecnologie quantistiche.

Per immagazzinare informazioni sfruttando i principi della meccanica quantistica, la creazione di uno stato di entanglement fra due sistemi quantistici è un passo essenziale. Tuttavia nello sfruttare questo stato si scontrano due esigenze opposte: quella di interagire con i sistemi per creare lo stato di entanglement e controllarlo, ossia scrivere e leggere informazioni, e quella di mantenere i sistemi perfettamente isolati dall’ambiente, dato che sono estremamente “fragili” e una perturbazione porterebbe alla loro “decoerenza”, ossia alla distruzione dello stato quantistico predefinito e dunque dell’informazione.

Questo problema è particolarmente delicato quando ci si trova di fronte alla necessità di misurare il qubit di parità, che svolge un ruolo centrale per la correzione degli errori quantistici e permette la creazione di porte logiche a due qubit. Un qubit di parità è una proprietà comune agli elementi del sistema che indica se in esso vi è un numero pari o dispari di qubit che si trova in un particolare stato. Questa misurazione deve riuscire a estrarre dal sistema entangled solo le informazioni sulla parità, ma non deve rivelare alcun altra informazione sullo stato dei qubit, che altrimenti verrebbe distrutto.
Per risolvere questo problema è stata ideata una possibilità alternativa alla misurazione diretta, quella in cui la misurazione di una proprietà comune riesce a portare all’entanglement di due sistemi quantistici che non interagiscono direttamente tra loro, ma solo attraverso un terzo sistema che ha una funzione “ancillare” rispetto ai primi due. La misurazione a questo punto può essere realizzata sull’elemento ancillare senza interagire direttamente con i due sistemi quantistici entangled, che restano pertanto invariati rispetto all’informazione che conservano.
Questa idea apparentemente abbastanza semplice si è però è finora dimostrata decisamente difficile da implementare in sistemi allo stato solido. I ricercatori olandesi sono riusciti nell’impresa sfruttando difetti che si possono trovare (o indurre) nella struttura cristallina di una pellicola di diamante, difetti costituiti in particolare da coppie formate da un atomo di azoto che è andato a sostituirne uno di carbonio e da una limitrofa lacuna nel reticolo cristallino: “Otteniamo la desiderata misurazione del qubit di parità relativa a due spin nucleari nel diamante – scrivono gli autori - utilizzando lo spin elettronico di un difetto azoto-lacuna per la lettura ancillare.”

“Il protocollo – concludono gli autori - può essere direttamente applicato anche ad altri sistemi elettronucleari ibridi, come quelli composti da silicio drogato con fosforo. La generazione di entanglement in un registro locale può essere integrato con l’entanglement remoto attraverso canali ottici per consentire reti quantistiche scalabili. Inoltre, le misure di parità presentate sono un elemento primario per porte NOT controllate con una misurazione e per la correzione degli errori quantistici. I nostri risultati segnano un passo importante verso il calcolo quantistico allo stato solido basato su qubit resi entangled, manipolati e protetti attraverso misurazioni.”