La computazione quantistica fa un passo avanti grazie a nuovi qubit con lacune
Le capacità di elaborazione dei supercomputer odierni può lasciare allibiti, ma si prevede che i computer quantici supereranno in futuro persino la più potente di queste macchine. Grazie alle loro enormi velocità e potenzialità di calcolo, essi saranno in grado di risolvere problemi impossibili da gestire per qualsiasi elaboratore oggi esistente. Il segreto insito nella potenza di elaborazione di un computer quantico risiede nel suo impiego dei bit quantistici, o qubit, ovvero le particelle subatomiche che rappresentano le unità di base delle informazioni quantistiche. I ricercatori sostenuti dai progetti MaGnum e microSPIRE, finanziati dall’UE, hanno ora sviluppato un nuovo sistema potenziale per qubit affidabili utilizzando lo spin delle cosiddette lacune. La creazione di questi qubit è descritta nel loro studio pubblicato sulla rivista «Nature Materials».
Spin di lacune in interazione
In fisica, per lacuna si intende l’assenza di un elettrone in un materiale solido, che pertanto è portatore di una carica positiva. Sebbene le lacune non siano vere particelle, sono dotate di numerose proprietà che contraddistinguono anche gli elettroni. Esse interagiscono quando si avvicinano l’una all’altra e possiedono inoltre la proprietà meccanica quantistica dello spin. Le lacune in materiali quale il metalloide germanio sono candidati eccellenti per gli spin qubit. Gli scienziati hanno costruito una nanostruttura composta da vari strati di germanio e silicio, il che ha consentito loro di confinare le lacune in una regione praticamente bidimensionale. Daniel Jirovec, primo autore dello studio e ricercatore attivo nell’organizzazione che ha coordinato il progetto MaGnum, ovvero l’Istituto austriaco di scienza e tecnologia, ha descritto la collaborazione sviluppata con il Laboratorio di epitassia nanostrutturata e spintronica del silicio (L-NESS, Laboratory for Nanostructure Epitaxy and Spintronics on Silicon) presso l’ente coordinatore del progetto microSPIRE, il Politecnico di Milano. «I nostri colleghi dell’L-NESS hanno collocato diversi strati di silicio e germanio dello spessore di pochi nanometri ciascuno l’uno sopra all’altro. In tal modo, abbiamo potuto confinare le lacune nello strato ricco di germanio posizionato nella parte centrale della miscela», ha spiegato Jirovec in un articolo pubblicato su «HPCwire». «In cima abbiamo aggiunto piccoli cavi elettrici, i cosiddetti “gate”, per controllare il movimento delle lacune applicando una tensione elettrica sulle stesse. Le lacune a carica elettrica positiva reagiscono alla tensione e possono essere spostate in modo estremamente preciso nel proprio strato.» Il team di ricerca si è avvalso di questa tecnica per avvicinare tra loro due lacune in modo da consentire l’interazione dei loro spin, creando così uno spin qubit. Ancora più importante è il fatto che i ricercatori sono stati in grado di creare il qubit dai 2 spin delle lacune in interazione impiegando meno di 10 millitesla di potenza del campo magnetico, un valore sostanzialmente inferiore rispetto al campo magnetico di altre configurazioni di qubit. «Utilizzando la nostra configurazione di germanio stratificato possiamo ridurre la potenza del campo magnetico richiesta e, conseguentemente, permettere la combinazione del nostro qubit con i superconduttori, che solitamente è inibita da campi magnetici potenti», ha affermato Jirovec, evidenziando la significatività di questo risultato. Il progetto MaGnum (Majorana bound states in Ge/SiGe heterostructures), della durata di due anni, si è concluso nel marzo del 2021, mentre microSPIRE (micro-crystals Single Photon InfraREd detectors) terminerà a ottobre 2021. Per ulteriori informazioni, consultare: progetto MaGnum sito web del progetto microSPIRE
Parole chiave
MaGnum, microSPIRE, spin di lacune, quantistico, spin qubit, germanio, silicio, campo magnetico
