Laser a femtosecondi: svolta nell’informatica quantistica

I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory hanno sviluppato un metodo che utilizza un laser a femtosecondi e un drogaggio con idrogeno per creare e controllare i qubit nel silicio

I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory hanno sviluppato un metodo che utilizza un laser a femtosecondi e un drogaggio con idrogeno per creare e controllare i qubit nel silicio, rivoluzionando potenzialmente l’informatica quantistica consentendo il posizionamento preciso dei qubit e la connettività per reti quantistiche scalabili.

Un laser a femtosecondi durante gli esperimenti
Un laser a femtosecondi durante gli esperimenti

Il laser a femtosecondi

I computer quantistici promettono di rivoluzionare settori come la salute umana, la scoperta di farmaci e l’intelligenza artificiale, risolvendo problemi con una velocità impensabile per i supercomputer odierni. Ancora più entusiasmante è la possibilità di creare una rete di computer quantistici, che accelererebbe ulteriormente questi progressi. Tuttavia, per realizzare questa visione, è necessario sviluppare un metodo efficace per connettere miliardi di qubit (bit quantistici) con una precisione atomica.

Attualmente, la creazione di qubit avviene in modo casuale su wafer di silicio interi, posizionati in forni a temperature elevate. Questo metodo non permette di controllare la posizione esatta degli stessi, ostacolando la realizzazione di un computer quantistico con qubit connessi.

La recente scoperta del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) rappresenta un passo fondamentale: per la prima volta, è stato possibile creare e controllare qubit con precisione su richiesta, utilizzando un laser a femtosecondi e drogando il silicio con idrogeno.

Questo progresso potrebbe consentire ai computer quantistici che utilizzano qubit ottici programmabili o “qubit spin-photon” di connettere nodi quantistici attraverso una rete remota. Potrebbe anche far avanzare un’Internet quantistica che non solo è più sicura ma potrebbe anche trasmettere più dati rispetto alle attuali tecnologie informatiche in fibra ottica.

Thomas Schenkel, scienziato senior, divisione Tecnologia degli acceleratori e fisica applicata ha dichiarato: “Questo potrebbe tracciare un potenziale nuovo percorso per l’industria per superare le sfide nella fabbricazione di qubit e nel controllo di qualità”.

Kaushalya Jhuria, ricercatrice presso la Divisione ATAP (Accelerator Technology & Applied Physics) del Berkeley Lab. e prima autrice di un nuovo studio che ha descritto la tecnica sulla rivista Nature Communications, ha spiegato: “Per realizzare un’architettura o una rete quantistica scalabile, abbiamo bisogno di qubit che possano formarsi in modo affidabile su richiesta, nelle posizioni desiderate, in modo da sapere dove si trova il qubit in un materiale. Ed è per questo che il nostro approccio è fondamentale”.

“Una volta che sappiamo dove si trova uno specifico qubit, possiamo determinare come connetterlo con altri componenti nel sistema e creare una rete quantistica”.

Il suo team ospiterà il primo gruppo di studenti dell’Università delle Hawaii a giugno come parte di un progetto RENEW finanziato dal DOE Fusion Energy Sciences sullo sviluppo della forza lavoro in cui gli studenti saranno immersi nella scienza e nella tecnologia dei centri colore/qubit.

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Creazione di qubit con laser a femtosecondi

Il nuovo metodo utilizza un ambiente gassoso per formare difetti programmabili chiamati “centri di colore” nel silicio. Questi centri di colore sono candidati per speciali qubit di telecomunicazioni o “qubit di fotoni di spin”. Il metodo utilizza anche un laser a femtosecondi ultraveloce per ricotturare il silicio con precisione millimetrica nel punto in cui gli stessi dovrebbero formarsi esattamente. Un laser a femtosecondi fornisce impulsi di energia molto brevi entro un quadrilionesimo di secondo a un bersaglio focalizzato delle dimensioni di un granello di polvere.

I qubit di fotoni di spin emettono fotoni che possono trasportare informazioni codificate nello spin degli elettroni su lunghe distanze: proprietà ideali per supportare una rete quantistica sicura. I qubit sono i componenti più piccoli di un sistema informativo quantistico che codifica i dati in tre diversi stati: 1, 0 o una sovrapposizione che è tutto compreso tra 1 e 0.

Con l’aiuto di Boubacar Kanté, uno scienziato della Divisione di Scienze dei Materiali del Berkeley Lab e professore di ingegneria elettrica e informatica (EECS) alla UC Berkeley, il team ha utilizzato un rilevatore del vicino infrarosso per caratterizzare i centri di colore risultanti sondando la loro ottica (fotoluminescenza).

La scoperta del centro Ci ha sorpreso i ricercatori. Questo emettitore quantistico presenta caratteristiche interessanti che lo rendono un potenziale candidato per la realizzazione di qubit fotonici di spin. La sua struttura semplice, la stabilità a temperatura ambiente e le promettenti proprietà di spin lo rendono ideale per emettere fotoni nella banda delle telecomunicazioni.

Jhuria ha spiegato: “Era già noto dalla letteratura che il centro Ci potesse essere formato nel silicio, ma non ci aspettavamo di riuscire a creare effettivamente questo nuovo candidato qubit di fotoni di spin con il nostro approccio.”

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Controllo preciso di Qubit per computer quantistici scalabili: il laser a femtosecondi

I ricercatori hanno appreso che la lavorazione del silicio con un laser a femtosecondi in presenza di idrogeno ha contribuito a creare i centri di colore Ci. Ulteriori esperimenti hanno dimostrato che l’aumento dell’intensità del laser può aumentare la mobilità dell’idrogeno, che passiva i centri di colore indesiderati senza danneggiare il reticolo di silicio.

Un’analisi teorica eseguita da Liang Tan, scienziato dello staff della Molecular Foundry del Berkeley Lab, ha mostrato che la luminosità del centro di colore Ci è aumentata di diversi ordini di grandezza in presenza di idrogeno, confermando le loro osservazioni dagli esperimenti di laboratorio.

Jhuria ha affermato: “Gli impulsi laser a femtosecondi possono espellere gli atomi di idrogeno o riportarli indietro, consentendo la formazione programmabile dei qubit ottici desiderati in posizioni precise”.

Il team prevede di utilizzare la tecnica per integrare qubit ottici in dispositivi quantistici come cavità riflettenti e guide d’onda e di scoprire nuovi candidati qubit fotonici con proprietà ottimizzate per applicazioni selezionate.

Cameron Geddes, direttrice della divisione ATAP ha concluso: “Ora che possiamo creare centri di colore in modo affidabile vogliamo far comunicare tra loro diversi qubit – che è un’incarnazione dell’entanglement quantistico – e vedere quali funzionano meglio. Questo è solo l’inizio. La capacità di formare qubit in posizioni programmabili in un materiale disponibile su larga scala come il silicio rappresenta un passo entusiasmante verso la pratica del networking e dell’informatica quantistica”.

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