La lettura di un singolo fonone e il raffreddamento dello stato fondamentale con elettroni intrappolati avvicinano ulteriormente il calcolo quantistico

Advance avvicina il calcolo quantistico all'implementazione

Schemi dei sistemi quantistici ibridi ione-elettroni proposti che coinvolgono un elettrone intrappolato. Didascalia immagine: gli scienziati dell’Università di Tokyo hanno inventato un modo per raffreddare e misurare il movimento di un elettrone intrappolato nel regime quantistico utilizzando sistemi quantistici ibridi. Credito: Alto Osada, Università di Tokyo

I computer quantistici sono potenti dispositivi computazionali che si basano sulla meccanica quantistica o sulla scienza di come particelle come elettroni e atomi interagiscono con il mondo che li circonda. Questi dispositivi potrebbero essere potenzialmente utilizzati per risolvere determinati tipi di problemi di calcolo in un lasso di tempo molto più breve.

Gli scienziati sperano da tempo che l’informatica quantistica possa essere il prossimo grande progresso nell’informatica; tuttavia, le limitazioni esistenti hanno impedito alla tecnologia di sfruttare il suo vero potenziale. Affinché questi computer funzionino, l’unità di base dell’informazione integrale al loro funzionamento, nota come bit quantistici o qubit, deve essere stabile e veloce.

I qubit sono rappresentati sia da semplici stati quantistici binari che da varie implementazioni fisiche. Un candidato promettente è un elettrone intrappolato che levita nel vuoto. Tuttavia, il controllo degli stati quantistici, in particolare dei movimenti vibrazionali, degli elettroni intrappolati può essere difficile.

In un articolo pubblicato in Ricerca di revisione fisica, i ricercatori hanno identificato possibili soluzioni ad alcuni dei limiti dei qubit per l’informatica quantistica. Hanno esaminato due diversi sistemi quantistici ibridi: un circuito elettrone-superconduttore e un sistema accoppiato elettrone-ione. Entrambi i sistemi sono stati in grado di controllare la temperatura e il movimento dell’elettrone.

“Abbiamo trovato un modo per raffreddare e misurare il movimento di un elettrone levitato nel vuoto, o di un elettrone intrappolato, entrambi nel regime quantistico”, ha affermato Alto Osada presso il Komaba Institute for Science presso l’Università di Tokyo. “Con la fattibilità del controllo a livello quantistico del movimento degli elettroni intrappolati, l’elettrone intrappolato diventa più promettente e attraente per le applicazioni della tecnologia quantistica, come l’informatica quantistica”.

I sistemi proposti su cui si sono concentrati i ricercatori includevano un elettrone intrappolato nel vuoto chiamato trappola di Paul che interagiva con circuiti superconduttori e uno ione intrappolato. Poiché gli ioni sono caricati positivamente e gli elettroni sono caricati negativamente, quando sono intrappolati insieme, si muovono l’uno verso l’altro a causa di un fenomeno chiamato attrazione Coulomb.

Poiché l’elettrone ha una massa così leggera, le interazioni tra l’elettrone e il circuito e l’elettrone e lo ione erano particolarmente forti. Hanno anche scoperto di essere in grado di controllare la temperatura dell’elettrone utilizzando campi a microonde e laser ottici.

Un’altra metrica importante che i ricercatori hanno utilizzato per misurare il successo dei loro calcoli è stata la modalità fononica dell’elettrone. Phonon si riferisce a un’unità di energia che caratterizza una vibrazione, o, in questo caso, l’oscillazione dell’elettrone intrappolato. Il risultato desiderabile era una lettura a fonone singolo e un raffreddamento dello stato fondamentale. Il raffreddamento dello stato fondamentale si riferisce allo stato congelato dell’elettrone.

I ricercatori sono stati in grado di ottenere questi risultati attraverso i loro due sistemi ibridi che hanno analizzato. “Operazioni quantistiche altamente efficienti e ad alta fedeltà sono disponibili nel sistema di elettroni intrappolati”, ha affermato Osada. “Questo nuovo sistema si manifesta come un nuovo parco giochi per lo sviluppo delle tecnologie quantistiche”.

Guardando al futuro, i ricercatori notano che sarà necessaria un’ulteriore ricerca sperimentale per vedere se i loro metodi possono essere implementati e applicati al calcolo quantistico. Ad esempio, hanno in programma di dimostrare la loro idea con un esperimento di prova del concetto. “Stiamo progettando di esaminare i nostri schemi utilizzando elettroni intrappolati in una cavità a microonde”, ha affermato Osada. “Attraverso questa ricerca, saremo in grado di fare un altro passo avanti verso operazioni quantistiche precise e verso l’implementazione del calcolo quantistico”.


Un sistema modello molecolare multi-qubit per il calcolo quantistico


Maggiori informazioni:
Alto Osada et al, Studio di fattibilità sul raffreddamento dello stato fondamentale e sulla lettura di un singolo fonone di elettroni intrappolati utilizzando sistemi quantistici ibridi, Ricerca di revisione fisica (2022). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.033245

Fornito dall’Università di Tokyo

Citazione: La lettura di un singolo fonone e il raffreddamento dello stato fondamentale con l’elettrone intrappolato avvicinano ulteriormente il calcolo quantistico (2022, 21 ottobre) recuperati il ​​22 ottobre 2022 da https://phys.org/news/2022-10-single-phonon-readout- elettrone-di-raffreddamento-stato-fondamentale.html

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