I laser a femtosecondi guidano l'innovazione quantistica

La nuova tecnica utilizza laser a femtosecondi e idrogeno per creare con precisione qubit in silicio, aprendo le prospettive per l'informatica quantistica e le reti scalabili

I ricercatori del Berkeley Lab hanno segnalato un importante progresso che potrebbe avvicinarci a un computer quantistico scalabile. Utilizzando un laser a femtosecondi durante gli esperimenti che esplorano il ruolo dell'idrogeno nella formazione dei qubit, i ricercatori hanno sviluppato un metodo che programma la formazione di qubit ottici in banda di telecomunicazioni nel silicio per la produzione su larga scala. La tecnica potrebbe consentire la realizzazione dei computer quantistici scalabili del futuro, basandosi sull’attuale infrastruttura informatica concepita sul silicio.

I computer quantistici hanno il potenziale per risolvere problemi complessi nel campo della salute umana, della scoperta di farmaci e dell’intelligenza artificiale milioni di volte più velocemente di alcuni dei supercomputer più veloci del mondo. Una rete di computer quantistici potrebbe far avanzare queste scoperte ancora più velocemente. Ma prima che ciò possa accadere, l’industria informatica avrà bisogno di un modo affidabile per mettere insieme miliardi di qubit – o bit quantici – con precisione atomica.

Collegare i qubit, tuttavia, è stato impegnativo per la comunità di ricerca. Alcuni metodi formano qubit posizionando un intero wafer di silicio in un forno di ricottura rapida a temperature molto elevate. Con questi metodi, i qubit si formano casualmente da difetti (noti anche come centri di colore o emettitori quantistici) nel reticolo cristallino del silicio. E senza sapere esattamente dove si trovano i qubit in un materiale, sarà difficile realizzare un computer quantistico con qubit connessi.

Ma ora, far sì che i qubit si connettano potrebbe presto essere possibile. Un gruppo di ricerca guidato dal Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) afferma di essere il primo a utilizzare un laser a femtosecondi per creare e “annientare” qubit su richiesta e con precisione, drogando il silicio con idrogeno.

Questo progresso potrebbe consentire ai computer quantistici, che utilizzano qubit ottici programmabili o “qubit spin-photon”, di connettere nodi quantistici attraverso una rete remota. Potrebbe anche far avanzare un’Internet quantistica che non solo è più sicura ma potrebbe anche trasmettere più dati rispetto alle attuali tecnologie informatiche in fibra ottica.

«Per realizzare un’architettura o una rete quantistica scalabile, abbiamo bisogno di qubit che possano formarsi in modo affidabile su richiesta, nelle posizioni desiderate, in modo da sapere dove si trova il qubit in un materiale. Ed è per questo che il nostro approccio è fondamentale», ha affermato la dottoressa Kaushalya Jhuria (1), ricercatrice post-dottorato presso la Divisione ATAP (Accelerator Technology & Applied Physics) del Berkeley Lab. Ella è la prima autrice di un nuovo studio che descrive la tecnica sulla rivista Nature Communications (2). «Perché una volta che sappiamo dove si trova uno specifico qubit, possiamo determinare come connettere questo qubit con altri componenti nel sistema e creare una rete quantistica».

«Ciò potrebbe tracciare un potenziale nuovo percorso per l'industria per superare le sfide nella fabbricazione di qubit e nel controllo di qualità», ha affermato il ricercatore principale, il dottor Thomas Schenkel (3), capo del programma Fusion Science & Ion Beam Technology nella divisione ATAP del Berkeley Lab. Il suo team ha ospitato il primo gruppo di studenti dell'University of Hawaii come parte di un progetto RENEW finanziato dal DOE Fusion Energy Sciences sullo sviluppo della forza lavoro in cui gli studenti saranno immersi nella scienza e nella tecnologia dei centri colore/qubit.

Formare qubit in silicio con controllo programmabile

Il nuovo metodo utilizza un ambiente gassoso per formare difetti programmabili chiamati “centri di colore” nel silicio. Questi centri di colore sono candidati per speciali qubit di telecomunicazioni o “qubit di fotoni di spin”. Il metodo utilizza anche un laser a femtosecondi ultraveloce per ricotturare il silicio con precisione millimetrica nel punto in cui i qubit dovrebbero formarsi esattamente. Un laser a femtosecondi fornisce impulsi di energia molto brevi entro un quadrilionesimo di secondo a un bersaglio focalizzato delle dimensioni di un granello di polvere.

I qubit di fotoni di spin emettono fotoni che possono trasportare informazioni codificate nello spin degli elettroni su lunghe distanze: proprietà ideali per supportare una rete quantistica sicura. I qubit sono i componenti più piccoli di un sistema informativo quantistico che codifica i dati in tre diversi stati: 1, 0 o una sovrapposizione che è tutto compreso tra 1 e 0.

Con l'aiuto del dottor Boubacar Kanté (4), uno scienziato della Divisione di Scienze dei Materiali del Berkeley Lab e professore di ingegneria elettrica e informatica (EECS) alla UC Berkeley, il team ha utilizzato un rilevatore del vicino infrarosso per caratterizzare i centri di colore risultanti sondando la loro ottica (fotoluminescenza).

Ciò che hanno scoperto li ha sorpresi: un emettitore quantistico chiamato Ci center. Grazie alla sua struttura semplice, alla stabilità a temperatura ambiente e alle promettenti proprietà di spin, il Ci center è un interessante candidato qubit di fotoni di spin che emette fotoni nella banda delle telecomunicazioni. «Sapevamo dalla letteratura che ci può essere formato nel silicio, ma non ci aspettavamo di realizzare effettivamente questo nuovo candidato qubit di fotoni di spin con il nostro approccio», ha detto la dottoressa Kaushalya Jhuria.

I ricercatori hanno appreso che la lavorazione del silicio con un laser a bassa intensità a femtosecondi in presenza di idrogeno ha contribuito a creare i centri di colore Ci. «Ulteriori esperimenti hanno dimostrato che l'aumento dell'intensità del laser può aumentare la mobilità dell'idrogeno, che passiva i centri di colore indesiderati senza danneggiare il reticolo di silicio», ha spiegato Schenkel.

Un'analisi teorica eseguita dal dottor Liang Tan (5), scienziato dello staff della Molecular Foundry del Berkeley Lab, mostra che la luminosità del centro di colore Ci è aumentata di diversi ordini di grandezza in presenza di idrogeno, confermando le loro osservazioni dagli esperimenti di laboratorio.

«Gli impulsi laser a femtosecondi possono espellere gli atomi di idrogeno o riportarli indietro, consentendo la formazione programmabile dei qubit ottici desiderati in posizioni precise», ha affermato la dottoressa Kaushalya Jhuria.

Il team prevede di utilizzare la tecnica per integrare qubit ottici in dispositivi quantistici come cavità riflettenti e guide d’onda e di scoprire nuovi candidati qubit fotonici con proprietà ottimizzate per applicazioni selezionate.

«Ora che possiamo creare centri di colore in modo affidabile, vogliamo far comunicare tra loro diversi qubit – che è un’incarnazione dell’entanglement quantistico – e vedere quali funzionano meglio. Questo è solo l’inizio», conclude Jhuria.

«La capacità di formare qubit in posizioni programmabili in un materiale disponibile su larga scala come il silicio rappresenta un passo entusiasmante verso la pratica del networking e dell’informatica quantistica», ha affermato il dottor Cameron Geddes (6), direttore della divisione Tecnologia degli acceleratori e fisica applicata del Berkeley Lab (ATAP).

L'analisi teorica per lo studio è stata eseguita presso il Department of Energy’s National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Dipartimento dell'Energia presso il Berkeley Lab con il supporto del programma NERSC. La Fonderia Molecolare e il NERSC sono strutture per gli utenti del DOE Office of Science presso il Berkeley Lab. Questo lavoro è stato supportato dal DOE Office of Fusion Energy Sciences.

Il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) è impegnato a fornire soluzioni per l'umanità attraverso la ricerca sull'energia pulita, un pianeta sano e la scoperta scientifica. Fondato nel 1931 con la convinzione che i problemi più grandi siano affrontati meglio da un team, il Berkeley Lab e i suoi scienziati sono stati insigniti di 16 premi Nobel. Ricercatori di tutto il mondo si affidano alle strutture scientifiche di livello mondiale del laboratorio per la propria ricerca pionieristica. Berkeley Lab è un laboratorio nazionale multiprogramma gestito dall'University of California for the U.S. Department of Energy’s Office of Science. L'Office of Science del DOE è il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti e sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per ulteriori informazioni. (7)

Riferimenti:

(1) Kaushalya Jhuria

(2) Programmable quantum emitter formation in silicon

(3) Thomas Schenkel

(4) Boubacar Kanté

(5) Liang Tan

(6) Cameron Geddes

(7) Office of Science | Department of Energy

Descrizione foto: Kaushalya Jhuria in laboratorio testa l'elettronica che fa parte dell'apparato sperimentale utilizzato per realizzare qubit in silicio. - Credit: Thor Swift/Berkeley Lab.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New Technique Could Help Build Quantum Computers of the Future