Gli stati quantici longevi consentono la computazione quantistica
Sia l’entanglement ottico sia quello a stato solido offrono potenziali rotte per computazione quantistica e comunicazioni sicure. Condividendo la medesima fisica e gli stessi concetti con l’elettrodinamica quantistica delle cavità, nell’architettura a stato solido detta elettrodinamica quantistica dei circuiti, gli atomi artificiali sono composti di giunzioni Josephson accoppiate a risonatori superconduttori su chip. I dispositivi risonanti forniscono un ambiente elettromagnetico controllato il quale proteggere i qubit dal rilassamento dell’energia. Nonostante l’elettrodinamica quantistica dei circuiti abbia compiuto progressi spettacolari nel corso degli anni, il mantenimento della coerenza nei qubit superconduttori è spesso impegnativo, poiché questi sistemi vantano un forte accoppiamento con i campi elettromagnetici. I circuiti devono essere non dissipativi (per esempio, le parti metalliche coinvolte dovrebbero avere resistenza pari a zero) in modo che i segnali possano essere trasportati da una parte del circuito ad un altra senza perdita di energia e decoerenza. Nell’ambito del progetto CQ3D (3D circuit quantum electrodynamics with flux qubits), finanziato dall’UE, gli scienziati hanno sviluppato nuovi metodi per controllare, accoppiare e misurare qubit superconduttori, in un ambiente elettromagnetico quasi perfetto con un minimo di circuiti aggiuntivi, in modo tale da evitare la decoerenza. Sono stati adottati vari sistemi sperimentali al fine di studiare l’elaborazione di qubit superconduttori e risonatori. In primo luogo, il team ha adottato un esperimento in cui i qubit transmoni di alluminio sono stati accoppiati a un risonatore 3D. L’obiettivo era quello di chiarire ulteriormente i meccanismi dominanti di rilassamento dell’energia, inclusi gli effetti di tunneling delle quasiparticelle. Come realizzazione fisica dei qubit in termini di spin, gli scienziati hanno sfruttato un particolare tipo di difetto presente nei diamanti, ossia i centri di azoto vacante, accoppiando i relativi spin degli elettroni ai risonatori. Incorporando funzionalità di cavità 3D lavorate, come substrati profondamente incisi e grandi lacune capacitive all’interno di risonatori planari (2D), il divario prestazionale delle due classi di dispositivi è stato ristretto. In ultima analisi, il team ha realizzato i qubit di flusso e caratterizzato la decoerenza di tali bit superconduttori accoppiati al risonatore. Il mantenimento di una lunga coerenza dei bit superconduttori è necessario ai fini della computazione pratica, altrimenti la magia quantistica scomparirebbe. Il forte accoppiamento di un qubit superconduttore ad un risonatore 3D apre nuove possibilità per la computazione quantistica, consentendo tempi di coerenza con due ordini di grandezza in più. I risultati del progetto sono stati divulgati tramite quattro pubblicazioni.
Parole chiave
Computazione quantistica, qubit superconduttori, tempi di coerenza, CQ3D, qubit di flusso