Uno studio dimostra che i qubit quantistici si possono produrre con gli stessi macchinari dei chip tradizionali

I ricercatori dell'Università del Nuovo Galles del Sud, del centro di ricerca belga imec e dell'azienda Diraq hanno dimostrato che operazioni quantistiche ad alta precisione possono essere eseguite su un dispositivo al silicio realizzato utilizzando un processo CMOS industriale compatibile da 300 mm. I risultati, pubblicati su Nature Communications, mostrano un'accuratezza fino al 99,8% per singole operazioni a un qubit e una frequenza di oscillazione di Rabi di 23 MHz.

I computer quantistici cercano di uscire dai laboratori per essere prodotti nelle fabbriche dove già vengono realizzati i normali circuiti integrati al silicio. I ricercatori dell’Università del Nuovo Galles del Sud, e del centro di ricerca belga imec e dell’azienda Diraq hanno dimostrato che operazioni quantistiche ad alta precisione possono essere eseguite su un dispositivo al silicio realizzato utilizzando un processo CMOS industriale compatibile da 300 mm. I risultati sono pubblicati su Nature Communications.

Alla base dello sviluppo ci sono i qubit a spin basati su cosiddette lacune nel silicio. In fisica dei semiconduttori, una lacuna è l’assenza di un elettrone in una banda energetica piena, che si comporta come una quasi-particella con carica positiva. Lo spin della lacuna (o hole spin) può essere utilizzato per memorizzare informazioni quantistiche quasi come lo spin di un elettrone, ma un forte interazione spin-orbita permette di controllare il qubit direttamente con segnali elettrici.

I qubit a lacuna hanno a lungo avuto prestazioni inferiori rispetto agli analoghi elettronici. Un forte interazione con l’ambiente elettrico rende le lacune sensibili alle non uniformità del materiale e complica il controllo dello spin. Il nuovo lavoro ha dimostrato che la qualità industriale della produzione permette di ridurre significativamente questo divario. Per singole operazioni a un qubit, i ricercatori hanno ottenuto un’accuratezza fino al 99,8%, che gli autori definiscono il miglior risultato per i qubit a spin di lacuna nel silicio naturale.

Un’ulteriore velocità è diventata un altro vantaggio della piattaforma. La frequenza sperimentale di oscillazione di Rabi ha raggiunto i 23 MHz, e il tempo minimo di rotazione dello stato del qubit di metà periodo è stato di 10 ns. Secondo i calcoli del team, l’attrezzatura utilizzata limitava la velocità più del dispositivo quantistico stesso. Gli autori ammettono la possibilità di aumentare la frequenza di controllo a circa 200 MHz. In dispositivi quasi identici, i qubit a lacuna hanno già funzionato circa 20 volte più velocemente di quelli elettronici.

Il team ha anche dimostrato l’interazione di due qubit attraverso il legame di scambio tra punti quantistici vicini. I ricercatori sono riusciti a controllare la forza dell’interazione in un intervallo di circa due ordini di grandezza e hanno ottenuto un fattore di qualità dell’operazione a due qubit di 240. Tale indicatore corrisponde al limite teorico di accuratezza di circa il 99,7%. Si tratta di una valutazione dell’accuratezza massima basata sul fattore di qualità misurato, non di una misurazione diretta dell’operazione a due qubit con un’accuratezza del 99,7%.

Particolare importanza ha il materiale del substrato. L’esperimento è stato condotto su silicio naturale senza pre-trattamento di purificazione isotopica.

In tale materiale è presente circa il 4,7% dell’isotopo silicio-29 con spin nucleare non nullo, che crea ulteriore rumore quantistico. Il silicio purificato isotopicamente potrebbe ridurre l’influenza degli spin nucleari e potenzialmente aumentare ulteriormente la stabilità dei qubit.

Il lavoro non significa che le fabbriche moderne possano iniziare senza modifiche a produrre in massa processori quantistici. L’esperimento dimostra qualcosa di più fondamentale: operazioni quantistiche ad alta velocità e alta precisione sono state realizzate in un’architettura strettamente legata ai processi tecnologici dell’industria dei semiconduttori moderna. Per scalare i computer quantistici, una simile compatibilità potrebbe rivelarsi non meno importante del prossimo record di accuratezza di un singolo qubit.

Carolina Vivianti

Carolina Vivianti è consulente/Advisor autonomo in sicurezza informatica con esperienza nel settore tech e security. Ha lavorato come Security Advisor per Ford EU/Ford Motor Company e Vodafone e ha studi presso la Sapienza Università di Roma.

Aree di competenza: Cybersecurity, IT Risk Management, Security Advisory, Threat Analysis, Data Protection, Cloud Security, Compliance & Governance