Lo dimostrano i risultati di uno studio su un nuovo qubit superconduttore, pubblicato sulla rivista Nature Communications
qubit superconduttori
I modelli computazionali tradizionali si basano susoluzioni fisiche corrispondenti alle leggi della meccanica classica. Ecco come funzionano i processori più moderni, ad esempio. Il calcolo quantistico utilizza fenomeni che si verificano su scala di atomi e particelle subatomiche per comunicare ed elaborare informazioni.
Esistono vari modelli di calcolo quantistico,tuttavia, i più popolari prevedono l'uso di qubit e porte quantistiche. Ricordiamo che un qubit è un sistema con due possibili stati, che possono trovarsi in uno di essi o in una sovrapposizione di entrambi. Una porta quantistica è un elemento base di un circuito digitale che esegue un'operazione logica elementare. Descrive come cambierà lo stato dei qubit, tenendo conto dei valori iniziali, dopo aver applicato loro una certa legge.
Poiché gli effetti quantistici compaiono solo inSu scale ultra-piccole, creare qubit e gate è un compito estremamente difficile. Tra i molti approcci alla costruzione di utili computer quantistici, i qubit superconduttori hanno guadagnato la maggiore popolarità. Per crearli, gli ingegneri usano temperature vicine allo zero assoluto, alle quali gli effetti quantistici cominciano ad apparire a livello macro. Ad esempio, è questa tecnologia utilizzata dai processori quantistici IBM introdotti di recente contenenti un record di 433 qubit.
coppia di bottaio e transmon
In un superconduttore, la maggior parte dei portatori di caricasono coppie di Cooper. Questo è uno stato legato di due elettroni che interagiscono attraverso un fonone. Ha spin nullo e una carica pari al doppio della carica di un elettrone. Sono queste particelle, che agiscono nel loro insieme, che vengono utilizzate per il calcolo quantistico.
Il qubit di carica o blocco più sempliceLe coppie di Cooper sono un elemento il cui stato determina la presenza o l'assenza di coppie di Cooper in eccesso nell'isola. Tale componente è formato da una minuscola isola superconduttrice collegata tramite una giunzione Josephson ad un serbatoio superconduttore. In questa giunzione, la corrente critica viene soppressa e una corrente tunnel scorre attraverso un sottile strato isolante o non superconduttore tra i due superconduttori.
Lo stato del qubit dipende dal numeroCoppie di Cooper che hanno scavalcato la connessione. L'effetto tunnel viene utilizzato per progettare oscillatori anarmonici quantistici che agiscono come qubit.
Diagramma schematico di un circuito di qubit di carica. L'isola è formata da un elettrodo superconduttore tra il condensatore di gate e la capacità di giunzione. Immagine: ETH
I qubit di carica vengono realizzati utilizzandotecnologie simili a quelle utilizzate nella microelettronica. I dispositivi sono generalmente costruiti su wafer di silicio o zaffiro utilizzando la litografia a fascio di elettroni e l'evaporazione di una sottile pellicola metallica.
In questo caso, si formano giunzioni Josephson conutilizzando l'evaporazione dell'ombra. Questo è un processo in cui il metallo di base evapora alternativamente a due angoli attraverso una maschera litograficamente definita in un resist a fascio di elettroni. Ciò si traduce nella formazione di due strati sovrapposti di metallo superconduttore, tra i quali si deposita un sottile strato di isolante.
Sebbene tali qubit siano abbastanza facili da realizzareUtilizzando la tecnologia matura utilizzata nei computer classici, i loro svantaggi includono la rapida decoerenza (rottura dell'entanglement) sotto l'influenza del rumore esterno. Affinché i computer quantistici possano eseguire calcoli utili, le informazioni che contengono devono essere accurate quasi al 100%. Il rumore di ricarica causato dall'imperfezione dell'ambiente materiale in cui si trovano i qubit influisce negativamente sulla precisione delle informazioni.
Un dispositivo IBM costituito da quattro transmon. Immagine: Jay M. Gambetta et al., Quantum Information
Per aumentare la "vita" di tali qubit, inNel 2007, i ricercatori della Yale University hanno finalizzato il sistema e creato il transmon. Questo è un blocco di coppie di Cooper, in cui le giunzioni Josephson sono ulteriormente deviate con un grande condensatore capacitivo. La diminuzione della sensibilità al rumore capacitivo ha comportato un aumento del tempo di coerenza da 1-2 ns per un blocco di coppie di Cooper a quasi 100 ns per un transmon.
Unimon è un nuovo qubit superconduttore
Illustrazione artistica di un unimon in un processore quantistico. Immagine: Alexander Kakinen, Università di Aalto
Nonostante i progressi significativi nello sviluppoL’informatica quantistica, la progettazione dei qubit e i metodi attualmente in uso non forniscono prestazioni sufficientemente elevate per un uso pratico diffuso. La complessità dei calcoli implementati è limitata principalmente da errori negli elementi quantistici con uno e due qubit.
Per risolvere questo problema, i ricercatorisviluppato un nuovo tipo di qubit superconduttore. Combinano una maggiore anarmonicità (deviazione dell'energia del sistema dalle "fluttuazioni" armoniche), completa insensibilità al rumore CC, ridotta sensibilità al rumore magnetico e una struttura semplice.
Il dispositivo è costituito da un Josephsonuna giunzione deviata da un induttore lineare e un condensatore che opera in una modalità in cui l'energia induttiva è principalmente compensata dall'energia Josephson. Questa proprietà si traduce in un alto livello di anarmonicità con piena immunità al rumore di carica a bassa frequenza e protezione parziale dal rumore di flusso, osservano i ricercatori.
Per la dimostrazione sperimentale dell'unimon, scienziatichip progettati e realizzati, ciascuno composto da tre qubit unimon. Hanno usato il niobio come materiale superconduttore, con l'eccezione dei contatti Josephson, in cui i conduttori superconduttori erano fatti di alluminio.
Sinistra:Immagine microscopica in finto colore di un chip di silicio contenente tre unimoni (blu) insieme alle loro cavità di lettura (rosse), linee di trasmissione (verdi) e linea di connessione della sonda (gialla). A destra: una configurazione sperimentale semplificata utilizzata per misurare gli unimoni. Immagine: Eric Hyyppä et al., Nature Communications
Con i loro dispositivi, gli scienziati hanno raggiuntoprecisione dal 99,8% al 99,9% per porte a qubit singolo da 13 ns su tre diversi qubit unimon. I ricercatori osservano che a causa della maggiore anarmonicità o non linearità rispetto ai transmon, gli unimon possono essere lavorati più velocemente, con conseguente minor numero di errori per operazione.
Gli Unimon sono molto semplici ma hanno molti vantaggi.davanti ai transmon. Il fatto che il primissimo unimon mai creato abbia funzionato così bene apre molto spazio all'ottimizzazione e a importanti scoperte.
Mikko Mettonen, professore di tecnologia quantistica presso la Aalto University
I ricercatori continueranno a lavorare sui miglioramenti indesign, materiali e tempi di gate unimon per superare l'obiettivo di precisione del 99,99% per creare un utile vantaggio quantistico e un'efficiente correzione degli errori in dispositivi pratici basati su un gran numero di qubit.
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