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Salto Quantico
Un team internazionale di ricercatori ha dimostrato che può controllare lo stato quantistico di un singolo elettrone in un transistor al silicio, persino mettendo l'elettrone in due punti contemporaneamente. La loro scoperta potrebbe aiutare a spianare la strada verso un pratico computer quantistico.
Addetto alla recinzione: Un modello al computer mostra un atomo di arsenico con un elettrone che si trova contemporaneamente in due stati quantistici distinti. Un team internazionale di ricercatori ha confermato sperimentalmente le previsioni del modello.
I computer quantistici sfruttano le strane proprietà delle particelle subatomiche per eseguire determinati tipi di calcoli molto più velocemente dei computer classici. I ricercatori stanno esplorando una serie di approcci diversi all'informatica quantistica e alcuni hanno persino costruito circuiti quantistici primitivi in grado di eseguire calcoli. Ma l'informatica quantistica pratica richiederebbe la capacità di produrre dispositivi con milioni di circuiti quantistici, piuttosto che i 12 o 16 realizzabili ora, che possono essere integrati con l'elettronica più convenzionale.
Un approccio teorico all'elettronica quantistica pratica consiste nell'utilizzare l'elettronica convenzionale, piccoli transistor a semiconduttore, per controllare lo stato di un sistema quantistico. Ricercatori guidati da Sven Rogge , un ricercatore della Delft University of Technology, nei Paesi Bassi, ha eseguito i primi esperimenti pratici per verificare le previsioni teoriche dell'approccio. Il team, che includeva anche ricercatori di Università di Purdue ; il Università di Melbourne , in Australia; e IMEC , in Belgio, hanno scoperto che poteva controllare lo stato quantico di un singolo elettrone semplicemente alterando la tensione applicata a un transistor. Questo rappresenta un bel passo avanti verso dispositivi futuri in cui le prestazioni sono determinate dalla manipolazione degli stati quantistici dei singoli atomi, afferma Thomas Schenkel, scienziato presso Laboratorio Nazionale Lawrence Berkeley .
I ricercatori hanno utilizzato transistor prefabbricati costruiti per la ricerca nanotecnologica, ciascuno dei quali consisteva di due nanofili di silicio incrociati. Uno dei nanofili, quello inferiore, era collegato a elettrodi che contenevano arsenico. Quando quel filo veniva caricato, a volte attirava atomi di arsenico nel transistor. Dopo aver applicato una tensione su circa 100 transistor, il team ne ha trovati sei che sembravano avere singoli atomi di arsenico incorporati nel nanofilo. Hanno quindi scoperto che la variazione della tensione attraverso il filo superiore avrebbe controllato lo stato quantico di uno degli elettroni dell'atomo. Utilizzando una tecnica di imaging chiamata spettroscopia a effetto tunnel, sono stati in grado di distinguere tre stati degli atomi in tutti e sei i dispositivi. Uno di questi stati corrispondeva al fatto che l'elettrone si trovava in due posti contemporaneamente, una proprietà necessaria per l'informatica quantistica.
Ma per capire il comportamento di un atomo, devi modellare milioni, dice Rogge. Quindi lui e i suoi colleghi hanno usato un programma standard chiamato NEMO 3D caratterizzare un sistema su larga scala contenente 1,4 milioni di atomi. Hanno scoperto che le misurazioni del loro sistema modello erano in buon accordo con i risultati della spettroscopia. È davvero interessante vedere quanto bene le loro simulazioni possano descrivere i transistor drogati casualmente, che sono tutti diversi nei dettagli, afferma Schenkel.
Stati alterati: Quando il campo elettrico indotto da un nanofilo di silicio (grigio) aumenta, un elettrone in un atomo di arsenico si sposta dal suo stato fondamentale (a sinistra) a uno stato eccitato (a destra). Durante questa transizione, l'elettrone entra in uno stato ibridato (medio) in cui si trova in entrambi gli altri stati contemporaneamente. In teoria, un tale elettrone potrebbe fungere da qubit in un computer quantistico.
A seconda della forza del campo elettrico creato dal nanofilo superiore, un elettrone potrebbe essere trovato in uno dei tre stati. A bassi campi elettrici, l'elettrone è rimasto legato all'atomo di arsenico. Ad alti campi elettrici, l'elettrone è stato allontanato dall'atomo. Ma quando il campo elettrico era al livello giusto, l'elettrone si trovava in entrambi i posti contemporaneamente.
Affinché un computer quantistico funzioni, i suoi qubit, l'equivalente quantistico dei bit di un computer classico, devono essere intrecciati: i loro stati quantistici devono essere accoppiati tra loro. Tirare via un elettrone dal suo atomo potrebbe essere un modo interessante per accoppiare qubit adiacenti, dice Schenkel.
Sebbene questo risultato sia importante, la vera sfida per realizzare futuri dispositivi a drogaggio singolo è capire come posizionare gli [atomi di arsenico] nell'host di silicio con la precisione richiesta, afferma Bruce Kane , ricercatore presso l'Università del Maryland. I ricercatori hanno trovato i loro sei dispositivi per caso; per produrre circuiti funzionanti, dovrebbero essere in grado di posizionare gli atomi di arsenico, o qualche altro materiale, nei transistor in modo più affidabile.
Mentre i ricercatori sperano alla fine di essere in grado di controllare la posizione degli atomi nel transistor, il nostro prossimo passo è aggiungere un secondo elettrone e vedere cosa succede alla configurazione dello stato dell'elettrone, afferma Gabri Lansbergen, un altro ricercatore di Delft. In un futuro lontano, aggiunge Rogge, vorremmo sperimentare diversi [materiali] e vedere come interagiscono.