Gli scienziati hanno sviluppato un qubit, o bit quantistico, in grado di raggiungere la “coerenza quantistica” a temperatura ambiente, cosa normalmente possibile solo a temperature prossime allo zero assoluto.
Per raggiungere la coerenza quantistica – uno stato stabile in cui si possono osservare le strane leggi della meccanica quantistica – i qubit devono normalmente essere raffreddati a meno 459 gradi Fahrenheit (meno 273 gradi Celsius) altrimenti soccombono ai disturbi e falliscono. Questo fenomeno è noto come decoerenza.
Per aggirare questo problema, il nuovo qubit ha utilizzato un cromoforo a base di pentacene – una molecola colorante che assorbe la luce ed emette colore – incorporato in una nuova struttura metallo-organica (MOF). Le sue proprietà hanno permesso agli scienziati di osservare brevemente la coerenza quantistica a temperatura ambiente.
Mentre i computer classici codificano i dati in bit – espressi come 1 o 0 – i computer quantistici utilizzano qubit, che possono essere espressi come una sovrapposizione di 1 e 0, il che significa che possono essere entrambi gli stati contemporaneamente finché non vengono osservati fisicamente.
La maggior parte dei qubit fisici creano una sovrapposizione tra le posizioni di spin-up e spin-down di un elettrone: due stati binari che si comportano come 1 e 0. Normalmente sono una linea di metallo, o un piccolo anello, che si comporta come un atomo. Secondo Scientific American, Google utilizza l’alluminio nei suoi qubit, mentre IBM utilizza un mix di alluminio e niobio.
Più qubit che codificano informazioni tramite lo spin degli elettroni possono anche essere uniti mediante entanglement quantistico – quando gli stati di due o più particelle sono collegati – il che significa che i qubit entangled possono esistere in molti stati simultaneamente. Questo è ciò che rende i computer quantistici potenzialmente molto più potenti dei computer classici se costruiti con un numero sufficiente di qubit.
Come funziona il nuovo tipo di qubit
Gli elettroni nei cromofori possono essere eccitati tramite un processo chiamato fissione singoletto, in cui assorbono la luce e cambiano il loro stato di spin. In passato, i ricercatori hanno utilizzato la fissione singoletto per creare una sovrapposizione nei qubit, ma sono riusciti a raggiungere questo obiettivo solo al di sotto di meno 198 C°, hanno scritto gli autori nel documento.
Per il nuovo studio, pubblicato sulla rivista Science Advances, gli scienziati hanno utilizzato un cromoforo a base di idrocarburo pentacene, in cui sono collegati insieme anelli pentagonali di carbonio e idrogeno. Per raggiungere questo stesso stato quantico a temperature più elevate, i ricercatori hanno intrappolato le molecole di cromoforo nel MOF, un materiale cristallino unico composto da ioni metallici e legato da molecole organiche.
Il MOF ha limitato quasi completamente il movimento della molecola del colorante, aiutando a mantenere gli elettroni eccitati in uno stato entangled. Gli scienziati hanno poi eccitato gli elettroni nel cromoforo tramite la fissione singoletto esponendoli a impulsi a microonde. Piccoli buchi nella struttura cristallina, noti come nanopori, hanno consentito agli elettroni di ruotare con un angolo piccolo e specifico, ha detto in una dichiarazione l’autore principale dello studio Nobuhiro Yanai, professore associato di chimica all’Università di Kyushu.
Questa leggera rotazione ha consentito agli elettroni eccitati di passare da due coppie di elettroni in “stati di tripletto” eccitati – in cui gli elettroni provenienti da orbite molecolari diverse hanno spin paralleli – in un insieme di quattro elettroni nello “stato di quintetto” meno stabile, in cui l’elettrone e gli spin sono antiparalleli, ovvero sono paralleli ma si muovono in direzioni opposte.
Seguendo questo processo, i ricercatori hanno osservato la coerenza quantistica in questi quattro elettroni in uno stato di quintetto per oltre 100 nanosecondi a temperatura ambiente (un nanosecondo è un miliardesimo di secondo).
Alla ricerca di computer quantistici a temperatura ambiente
“Si tratta della prima coerenza quantistica a temperatura ambiente di elettroni in stato di quintetto intrecciati”, ha affermato nella dichiarazione il coautore dello studio Yasuhiro Kobori, professore di chimica all’Università di Kobe.
Nel lavoro successivo, il team spera di creare qubit più stabili aggiungendo altre molecole “ospite” che limitino ulteriormente il movimento degli elettroni, o giocando con la struttura sottostante del MOF, ha affermato Yanai.
Anche se è improbabile che la nuova ricerca porti al calcolo quantistico a temperatura ambiente nel prossimo futuro, la svolta si aggiunge al lavoro effettuato nella costruzione di qubit in grado di raggiungere la coerenza quantistica a temperatura ambiente. In effetti, produrre qubit stabili a temperatura ambiente è una speranza che i ricercatori hanno da tempo, sostiene Vlatko Vedral, professore di scienza dell’informazione quantistica all’Università di Oxford.
Tale calcolo a temperatura ambiente eviterebbe la necessità di correzione degli errori, ha affermato. Questo perché per funzionare a temperatura ambiente, i qubit dovrebbero, per progettazione, resistere alle forze dirompenti che li rendono instabili e inclini alla decoerenza.
“In questo documento sono stati effettivamente riportati tempi di coerenza di spin lunghi, il che rappresenta un progresso significativo”, ha affermato. “Tuttavia, non sono sicuro di quanto sia facile espandere questo sistema e, in particolare, di quanto sia facile controllare le interazioni tra i qubit” In altre parole, per realizzare un computer potente, sono necessari molti qubit per eseguire i calcoli.
Vedral, nonostante abbia messo in dubbio l’utilità di questa specifica scoperta, l’ha definita come “una pietra miliare importante”, aggiungendo che questo corpo di ricerca è più promettente a lungo termine rispetto allo sviluppo di modi per eseguire la correzione degli errori quantistici.
