Qubit nei computer quantistici: scoperta la causa del decadimento

I ricercatori dell’Università di Aalto hanno scoperto la perdita di energia termica nei qubit attraverso una semplice configurazione sperimentale, gettando luce sulla perdita di coerenza degli stessi nei computer quantistici.

Lo studio, che coinvolge fisici e un team internazionale, si è concentrato sulle giunzioni Josephson superconduttrici, fondamentali per il calcolo quantistico ad alte prestazioni, e fornisce approfondimenti sulla dissipazione termica e sul suo impatto sull’efficienza dei qubit.

Misurazione della perdita di coerenza dei qubit superconduttori

I fisici dell’Università di Aalto in Finlandia, insieme a un team internazionale di collaboratori, hanno dimostrato teoricamente e sperimentalmente che la perdita di coerenza dei qubit superconduttori può essere misurata direttamente come dissipazione termica nel circuito elettrico che li contiene.

Al centro dei computer quantistici più avanzati e dei rilevatori ultrasensibili ci sono le giunzioni Josephson superconduttrici, gli elementi base dei qubit, o bit quantistici. Come suggerisce il nome, questi insieme ai loro circuiti, sono conduttori di elettricità molto efficienti.

Bayan Karimi, ricercatore post-dottorato nel gruppo di ricerca Pico presso l’Università di Aalto e primo autore dello studio, ha dichiarato: “Nonostante i rapidi progressi nella produzione di qubit di alta qualità, è rimasta un’importante questione irrisolta: come e dove avviene la dissipazione termica?” 

Jukka Pekola, professore dell’Università Aalto che dirige il gruppo di ricerca Pico, ha aggiunto: “Abbiamo sviluppato a lungo i metodi per misurare questa perdita basandoci sulle competenze del nostro gruppo in termodinamica quantistica”.

Mentre i fisici continuano a spingere per qubit sempre più efficienti nella corsa per affinare la tecnologia che circonda i dispositivi quantistici, questi nuovi dati consentono di comprendere meglio come i loro qubit decadono. In termini di calcolo quantistico, i qubit con tempi di coerenza più lunghi consentono più operazioni, portando a calcoli più complessi, irraggiungibili negli ambienti di calcolo classici.

Comprensione della dissipazione termica nei qubit

La trasmissione delle supercorrenti è resa possibile dall’effetto Josephson, in cui due materiali superconduttori ravvicinati possono supportare una corrente senza tensione applicata. Come risultato dello studio, la perdita di energia precedentemente non attribuita può essere ricondotta alla radiazione termica che ha origine nei qubit e si propaga lungo i cavi.

Pensate a un falò che riscalda qualcuno in spiaggia: l’aria nell’ambiente rimane fredda, ma la persona sente comunque il calore che irradia dal fuoco. Karimi sostiene che questo stesso tipo di radiazione porta alla dissipazione nel qubit.

Questa perdita è stata notata in precedenza dai fisici che hanno condotto esperimenti su grandi serie di centinaia di giunzioni Josephson messe in circuito. Come in un gioco del telefono, una di queste giunzioni sembrerebbe destabilizzare le altre più avanti.

Una semplice configurazione sperimentale produce grandi risultati

Inizialmente, gli esperimenti prevedevano l’utilizzo di numerose giunzioni Josephson disposte in una matrice. Tuttavia, Karimi, Pekola e il loro team hanno gradualmente semplificato l’approccio sperimentale. L’esperimento finale si è concentrato sull’osservazione di una singola giunzione Josephson.

Posizionando un sensore termico estremamente sensibile vicino alla giunzione, i ricercatori sono riusciti a misurare direttamente la debole radiazione emessa durante le transizioni di fase della stessa, coprendo un ampio spettro di frequenze fino a 100 gigahertz.

Il lavoro teorico del gruppo è stato realizzato in collaborazione con i colleghi dell’Università di Madrid. I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista Nature Nanotechnology.

Il lavoro è stato svolto in collaborazione con il professore Charles Marcus dell’InstituteQ Chair of Excellence dell’Università di Washington, negli Stati Uniti, e il Niels Bohr Institute di Copenhagen, Danimarca.

La fabbricazione dei dispositivi utilizzati negli esperimenti ha utilizzato le camere bianche di OtaNano, l’infrastruttura di ricerca nazionale finlandese per le micro e nanotecnologie. Il lavoro è stato reso possibile anche dal Research Council of Finland tramite il Quantum Technology Finland (QTF) Centre of Excellence e il consorzio THEPOW.