Progettazione di qubit molecolari robusti e scalabili

Progettazione di qubit molecolari robusti e scalabili

Collocando qubit molecolari in un array di cristalli asimmetrici, il Prof. David Awschalom e il suo team hanno scoperto che alcuni stati quantistici erano molto meno sensibili ai campi magnetici esterni. Credito: Gruppo Awschalom, D.Laorenza/MIT

Il concetto di “simmetria” è essenziale per la fisica fondamentale: un elemento cruciale in tutto, dalle particelle subatomiche ai cristalli macroscopici. Fornire una mancanza di simmetria, o asimmetria, può influenzare drasticamente le proprietà di un dato sistema.

I qubit, l’analogo quantistico dei bit dei computer per i computer quantistici, sono estremamente sensibili: il minimo disturbo in un sistema di qubit è sufficiente per far perdere tutte le informazioni quantistiche che potrebbe aver trasportato. Data questa fragilità, sembra intuitivo che i qubit sarebbero più stabili in un ambiente simmetrico. Tuttavia, per un certo tipo di qubit, un qubit molecolare, è vero il contrario.

I ricercatori della Pritzker School of Molecular Engineering (PME) dell’Università di Chicago, dell’Università di Glasgow e del Massachusetts Institute of Technology hanno scoperto che i qubit molecolari sono molto più stabili in un ambiente asimmetrico, ampliando le possibili applicazioni di tali qubit, soprattutto come sensori quantistici biologici.

L’opera è stata pubblicata ad agosto in Revisione fisica X.

“I qubit molecolari sono straordinariamente versatili, poiché possono essere progettati su misura e collocati in una varietà di ambienti diversi”, ha affermato David Awschalom, professore di ingegneria molecolare e fisica della famiglia Liew presso UChicago, scienziato senior presso Argonne, direttore del Chicago Quantum Exchange e direttore di Q-NEXT, un centro di scienza dell’informazione quantistica del Dipartimento di energia. “Lo sviluppo di questo metodo per stabilizzarli apre nuove porte per potenziali applicazioni di questa tecnologia emergente”.

L’uso di un sistema come qubit richiede che abbia due stati quantistici che possono corrispondere a “0” e “1”, come in un computer classico. Ma gli stati quantistici sono fragili e crolleranno se disturbati in qualche modo. Gli scienziati quantistici hanno spinto i limiti di quanto tempo possono fare in modo che un qubit mantenga uno stato quantistico prima del collasso, noto anche come “tempo di coerenza”.

Proteggere i qubit da quanta più influenza esterna possibile è un modo per cercare di aumentare il loro tempo di coerenza e, collocando i qubit molecolari in una matrice di cristalli asimmetrica, Awschalom e il suo team hanno scoperto che alcuni stati quantistici erano molto meno sensibili ai campi magnetici esterni, e quindi aveva tempi di coerenza più lunghi: 10 µs, rispetto a 2 µs per qubit identici in una matrice di cristalli simmetrici.

Dan Laorenza, uno studente laureato in chimica al MIT che ha lavorato al progetto, afferma che l’ambiente asimmetrico fornisce “protezione della coerenza” che potrebbe consentire ai qubit di mantenere le loro informazioni quantistiche anche se collocati in luoghi più caotici.

“Ora comprendiamo un meccanismo diretto e affidabile per migliorare la coerenza dei qubit molecolari in ambienti magneticamente rumorosi”, ha affermato. “Soprattutto, questo ambiente asimmetrico è facilmente traducibile in molti altri sistemi molecolari, in particolare per le molecole poste in ambienti amorfi come quelli che si trovano in biologia”.

I sensori quantistici Qubit hanno una miriade di potenziali applicazioni nei sistemi biologici, specialmente in contesti medici; ma questi sistemi sono noti per essere non strutturati e rumorosi, il che rende il mantenimento della coerenza di questi sensori qubit una sfida molto difficile. Imparare perché un ambiente asimmetrico stabilizza i qubit molecolari contro i campi magnetici potrebbe portare a sensori migliori in questi campi di ricerca.


Pieno controllo di un processore quantistico a sei qubit in silicio


Maggiori informazioni:
SL Bayliss et al, Miglioramento della coerenza di spin nei qubit molecolari otticamente indirizzabili attraverso il controllo della matrice host, Revisione fisica X (2022). DOI: 10.1103/PhysRevX.12.031028

Fornito dall’Università di Chicago

Citazione: Ingegneria di qubit molecolari robusti e scalabili (2022, 28 settembre) recuperati il ​​1 ottobre 2022 da https://phys.org/news/2022-09-robust-scalable-molecular-qubits.html

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