Uno stato entangled di tre qubit è stato realizzato in una matrice completamente controllabile di qubit di spin nel silicio
Il team, composto esclusivamente da RIKEN ha aumentato il numero di qubit di spin a base di silicio che possono essere intrecciati da due a tre, evidenziando il potenziale dei qubit di spin per la realizzazione di algoritmi quantistici multi-qubit.
I computer quantistici hanno il potenziale per lasciare i computer convenzionali nella polvere durante l’esecuzione di determinati tipi di calcoli. Si basano su bit quantistici, o qubit, l’equivalente quantistico dei bit utilizzati dai computer convenzionali.
Sebbene meno mature di altre tecnologie qubit, minuscole macchie di silicio note come punti quantici di silicio hanno diverse proprietà che le rendono molto attraenti per la realizzazione di qubit.
Questi includono lunghi tempi di coerenza, controllo elettrico ad alta fedeltà, funzionamento ad alta temperatura e un grande potenziale di scalabilità. Tuttavia, per collegare utilmente diversi qubit di spin a base di silicio, è fondamentale essere in grado di intrecciare più di due qubit, un risultato che fino ad ora era sfuggito ai fisici.
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Il dispositivo del team è riuscito a intrappolare due dei qubit implementando un gate a due qubit. Hanno combinato il terzo qubit e il gate per ottenere un entanglement a tre qubit. Lo stato a tre qubit risultante aveva una fedeltà di stato straordinariamente alta dell’88%. Era anche in uno stato impigliato che poteva essere utilizzato per la correzione degli errori.
Seigo Tarucha e cinque colleghi, tutti del RIKEN Center for Emergent Matter Science, hanno ora inizializzato e misurato un array di tre qubit in silicio ad alta fedeltà (la probabilità che un qubit sia nello stato previsto). Hanno anche combinato i tre qubit entangled in un unico dispositivo.
Questa dimostrazione è un primo passo verso l’estensione delle capacità dei sistemi quantistici basati su spin qubit. “Il funzionamento a due qubit è abbastanza buono per eseguire calcoli logici fondamentali”, spiega Tarucha. “Ma un sistema a tre qubit è l’unità minima per aumentare e implementare la correzione degli errori”.
Un computer quantistico su larga scala entro un decennio
Il dispositivo del team consisteva in un punto quantico triplo su un’eterostruttura silicio/silicio-germanio ed è controllato tramite porte in alluminio. Ogni punto quantico può ospitare un elettrone, i cui stati di spin up e spin down codificano un qubit. Un magnete su chip genera un gradiente di campo magnetico che separa le frequenze di risonanza dei tre qubit, in modo che possano essere indirizzati individualmente.
I ricercatori hanno prima impigliato due dei qubit implementando una porta a due qubit, un piccolo circuito quantistico che costituisce l’elemento costitutivo dei dispositivi di calcolo quantistico. Hanno quindi realizzato un entanglement a tre qubit combinando il terzo qubit e il gate.
Lo stato a tre qubit risultante aveva una fedeltà di stato notevolmente elevata dell’88% ed era in uno stato entangled che poteva essere utilizzato per la correzione degli errori.
Questa dimostrazione è solo l’inizio di un ambizioso corso di ricerca che porta a un computer quantistico su larga scala. “Abbiamo in programma di dimostrare la correzione degli errori primitivi utilizzando il dispositivo a tre qubit e di fabbricare dispositivi con dieci o più qubit“, afferma Tarucha.
“Abbiamo quindi in programma di sviluppare da 50 a 100 qubit e implementare protocolli di correzione degli errori più sofisticati, aprendo la strada a un computer quantistico su larga scala entro un decennio“.
