La macchina di calcolo quantistico dell'atomo di fosforo

Alla fine degli anni '90, un fisico australiano ha proposto un progetto per un computer quantistico. Bruce Kane ha suggerito che gli atomi di fosforo incorporati nel silicio sarebbero il modo ideale per archiviare e manipolare le informazioni quantistiche.

La sua idea era che il nucleo dell'atomo di fosforo potesse immagazzinare un singolo qubit per lunghi periodi di tempo nel modo in cui ruota. Un campo magnetico potrebbe facilmente indirizzare questo qubit utilizzando tecniche ben note della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare. Ciò consentirebbe manipolazioni a qubit singolo ma non operazioni a due qubit, perché gli spin nucleari non interagiscono in modo significativo l'uno con l'altro.

Per questo, suggerì di trasferire lo spin a un elettrone in orbita attorno all'atomo di fosforo, che avrebbe interagito molto più facilmente con un elettrone in orbita attorno a un atomo di fosforo vicino. Le operazioni a due qubit sarebbero quindi possibili manipolando i due elettroni con campi elettrici.

Il grande vantaggio del computer quantistico Kane che entusiasmava molti fisici all'epoca era che era scalabile. Poiché ogni atomo può essere indirizzato individualmente utilizzando circuiti elettronici standard, è semplice aumentare le dimensioni del computer aggiungendo più atomi e i relativi accessori elettronici associati e quindi collegarlo a un computer convenzionale.

Costruire un computer quantistico Kane è diventato quasi un'ossessione in Australia, dove circa 100 ricercatori hanno lavorato al problema per oltre un decennio.

Hanno fatto scoperte come la possibilità di impiantare atomi di fosforo in posizioni precise nel silicio utilizzando un microscopio a effetto tunnel. Sono anche stati in grado di affrontare gli spin nucleari di questi atomi di fosforo usando potenti campi magnetici.

Ma la grande sfida irrisolta è stata quella di trovare un modo per affrontare lo spin di un singolo elettrone in orbita attorno a un atomo di fosforo e leggerne il valore.

Oggi, Jarryd Pla dell'Università del New South Wales a Sydney, e alcuni amici, affermano di aver vinto questo compito per la prima volta.

Questi ragazzi hanno impiantato un singolo atomo di fosforo in una nanostruttura di silicio e lo hanno posizionato in un potente campo magnetico a una temperatura vicina allo zero assoluto. Sono stati quindi in grado di invertire lo stato di un elettrone in orbita attorno all'atomo di fosforo facendolo zapping con le microonde.

Il passaggio finale, di per sé una sfida significativa, è stato quello di leggere lo stato dell'elettrone utilizzando un processo noto come conversione da spin a carica.

Il risultato finale è un dispositivo in grado di memorizzare e manipolare un qubit e ha il potenziale per eseguire operazioni logiche a due qubit con atomi vicini; in altre parole, l'elemento fondamentale di un computer quantistico scalabile.

Questi risultati indicano che lo spin dell'elettrone di un singolo atomo di fosforo nel silicio è un'eccellente piattaforma su cui costruire un computer quantistico scalabile, afferma il team.

Questo sembra essere un grande passo avanti per lo sforzo dell'Australia di realizzare un computer quantistico scalabile.

Tuttavia, nei 15 anni trascorsi da quando Kane ha pubblicato il suo progetto originale, è emersa una forte concorrenza. In particolare, i fisici hanno trovato un modo semplice per archiviare ed elaborare le informazioni quantistiche nei difetti di vacanza dell'azoto nel diamante.

Poi c'è D-Wave Systems, che produce già un computer quantistico scalabile che funziona in un modo completamente diverso che ha notoriamente venduto ad aziende come Lockheed Martin e Google.

Il grande vantaggio del design australiano è la sua compatibilità con l'attuale industria di produzione di chip a base di silicio. In teoria, sarà semplice incorporare questa tecnologia nei futuri chip.

Se questo è ciò che accadrà in pratica è difficile da dire. Essere i primi sul mercato è un grande vantaggio nel mondo dell'alta tecnologia e il design australiano è ancora lontano anni dall'emergere dai laboratori.

Ci sono molti ostacoli in arrivo che potrebbero abbattere una qualsiasi di queste tecnologie emergenti. Questa gara è tutt'altro che finita.

Rif: arxiv.org/abs/1305.4481 : Un Qubit di spin di elettroni a singolo atomo in silicio

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