Siamo vicini a un computer quantistico a Qubit ?

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Il buon lato oscuro dell’eccitone. In un prossimo futuro, non così vicino ma neppure remoto, anziché nel reparto di elettronica dei grandi magazzini andremo probabilmente ad acquistare il nuovo computer quantistico nel reparto di fotonica. Gli ultimi avanzamenti sugli “eccitoni” usati come qubit in un articolo su Apl Photonics.

Crediti: Wikimedia Commons
Crediti: Wikimedia Commons

Un nuovo studio, realizzato da un gruppo di ricerca germano-israeliano e pubblicato sulla rivista APL Photonics, descrive gli avanzamenti di una promettente tecnologia che può permettere di realizzare industrialmente componenti per computer quantistici. Il problema di fondo è riuscire a ingegnerizzare un microprocessore la cui logica sia basata sul qubit, il bit quantistico, anziché sul bit (binary digit, cifra binaria), ovvero i famosi “zero” e “uno” della computazione digitale. Così come un classico bit conserva l’informazione del proprio stato on oppure off, il qubit mantiene l’informazione – ad esempio – sul proprio stato di spin, una delle proprietà che definiscono lo stato quantistico della particella.

Gli autori del nuovo studio, guidati da Tobias Heindel della Technical University di Berlino, ritengono che come qubit sia perfetto l’eccitone oscuro, una quasiparticella che può essere vista come una particolare fase del matrimonio quantistico tra un elettrone e…  il vuoto lasciato dallo stesso elettrone, chiamato lacuna. Quando un elettrone (di carica negativa) in un semiconduttore viene eccitato a un livello energetico superiore, lascia dietro di sé una lacuna (di carica positiva); ma l’elettrone può ancora essere associato alla lacuna, formando un eccitone. I ricercatori possono intrappolare questi eccitoni in cosiddetti punti quantistici (quantum dots), particelle semiconduttrici di scala nanometrica, le cui proprietà quantistiche sono simili a quelle dei singoli atomi.

Tobias Heindel, Università Tecnica di Berlino
Tobias Heindel, Università Tecnica di Berlino

Se l’elettrone e la lacuna possiedono spin opposti, le due particelle si possono facilmente ricombinare, emettendo un quanto di luce, ovvero un fotone. Queste coppie elettrone-lacuna vengono definite eccitoni chiari. Ma se elettrone e lacuna hanno lo stesso spin non si possono ricombinare facilmente ed emettere luce, motivo per cui i ricercatori parlano di eccitone oscuro. Questa oscurità è parte del motivo per cui gli eccitoni oscuri sono ritenuti promettenti come qubit: non emettendo luce, gli eccitoni oscuri non possono rilassarsi a un livello energetico inferiore. Di conseguenza, queste particelle persistono con una vita relativamente lunga, con durata oltre un microsecondo, un migliaio di volte più lunga rispetto a un eccitone chiaro. Abbastanza a lungo da potere funzionare come qubit.

Peccato che l’eccitone oscuro, in quanto tale, sia difficile da “leggere”, non potendo utilizzarsi i fotoni per rilevare lo stato di spin o qualsiasi altra informazione che un siffatto qubit possa contenere. Problema superato quando, nel 2010, si è scoperto che due eccitoni messi assieme possono formare uno stato metastabile. Quando il bi-eccitone “si rilassa” a un livello energetico inferiore, lascia dietro di sé un eccitone oscuro mentre emette un fotone, rilevabile dai ricercatori.

Lo schema illustra il dispositivo di microlenti per misurare eccitoni oscuri in un punto quantistico. Il diagramma a sinistra raffigura lo stato di bieccitone che si rilassa in un eccitone scuro e produce un fotone; i cerchi pieni sono elettroni mentre quelle vuoti sono lacune. L’eccitone oscuro subisce poi la precessione. Per leggere l’eccitone scuro, è stato introdotto un elemento portante della carica supplementare, in questo caso un elettrone spin-down. Crediti: Tobias Heindel
Lo schema illustra il dispositivo di microlenti per misurare eccitoni oscuri in un punto quantistico. Il diagramma a sinistra raffigura lo stato di bieccitone che si rilassa in un eccitone scuro e produce un fotone; i cerchi pieni sono elettroni mentre quelle vuoti sono lacune. L’eccitone oscuro subisce poi la precessione. Per leggere l’eccitone scuro, è stato introdotto un elemento portante della carica supplementare, in questo caso un elettrone spin-down. Crediti: Tobias Heindel

Il gruppo di ricerca guidato da Heindel ha portato questa tecnica a livelli di efficienza mai raggiunti prima, riuscendo a “leggere” i fotoni emessi da questi qubit con un’accuratezza e velocità tale da far ben sperare di potere portare presto questa tecnologia oltre la fase di mera dimostrazione teorica. L’accorgimento più significativo tra quelli adottati dal gruppo di ricerca è l’utilizzo di una microlente sopra il punto quantistico, per catturare un maggior numero di fotoni e leggere quindi più frequentemente lo stato quantistico dei qubit.

Misurare lo spin dell’eccitone oscuro, aggiungono i ricercatori, rivela anche la frequenza della sua precessione, l’oscillazione tra gli stati ‘up’ e ‘down’ dello spin. Conoscere questo numero è necessario quando si utilizzano gli eccitoni oscuri per generare particolari stati quantistici di luce (cluster states of entangled photons), le cui proprietà quanto-meccaniche sono conservate anche se parti dello stato vengono corrotte, quindi fondamentali per i sistemi di informazione quantistica a correzione d’errore.

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