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Decoherence in magnetic molecules as qubits

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Sviluppare l'informatica quantica

Alcuni ricercatori finanziati dall'UE hanno fatto enormi passi avanti nella comprensione degli ostacoli principali alla realizzazione di computer quantistici, un fenomeno noto con il nome di decoerenza.

Economia digitale

La ricerca di computer quantistici capaci di eseguire calcoli estremamente complessi in tempi rapidissimi, in base alle proprietà eccitanti delle particelle quantistiche, ha incontrato un enorme ostacolo nel fenomeno della "decoerenza". Mentre i computer tradizionali si basano su "bit" tradizionali per la codifica delle informazioni, i computer quantistici si basano su bit quantistici o qubit. Diversamente dai bit tradizionali che hanno valore 0 o 1, i qubit possono presentarsi contemporaneamente mediante sovrapposizione, garantendo in teoria un'elaborazione effettivamente parallela e determinando un aumento esponenziale della capacità di elaborazione. Tuttavia, la decoerenza o i cambiamenti casuali degli stati quantistici, che derivano dalle interazioni con l'ambiente, rendono complesso il controllo e l'utilizzo dei qubit. Per le molecole magnetiche, la teoria prevede tre contributi principali alla decoerenza, nello specifico quello degli spin nucleari, delle interazioni dipolari intermolecolari e dei fononi. I ricercatori europei hanno avviato il progetto DECMMQUBIT ("Decoherence in magnetic molecules as qubits") allo scopo di studiare i suddetti fenomeni nei sistemi di qubit con spin nucleare dei magneti molecolari. L'obiettivo consisteva nel miglioramento della comprensione e nella riduzione della decoerenza ai fini del superamento delle frontiere dell'informatica quantica. Il primo passo è stato rappresentato dalla scelta, da parte degli scienziati, di due molecole (poliossometallati) in grado di essere sintetizzate senza spin nucleari. Gli studi teorici hanno dimostrato che si trattava di molecole che erano quasi in grado di mostrare il comportamento di un magnete a singola molecola (SMM), trasformandosi in tal modo in candidati eccellenti per i qubit con spin nucleare. Gli SMM erano dunque sintetizzati e caratterizzati dal punto di vista magnetico. Il passo successivo consisteva nella preparazione di campioni puri e magneticamente diluiti con i quali gli scienziati hanno dimostrato che l'applicazione di un campo magnetico trasversale riduceva in modo significativo il contributo delle interazioni dipolari sulla decoerenza. Infine, mediante l'unione delle costanti tra i fononi (quanti di energia di vibrazione) e i diversi tipi di bromuro di potassio (KBr) e di cianuro (CN), sono stati studiati due sistemi a più livelli, con calcoli che avallano i valori misurati sperimentalmente. Nel complesso, i ricercatori del progetto DECMMQUBIT hanno condotto studi sperimentali e teorici sui tre fattori principali che contribuiscono alla decoerenza dei qubit. L'applicazione futura dei risultati raggiunti nell'ambito dell'iniziativa dovrebbe facilitare ulteriormente la comprensione delle molecole magnetiche in quanto oggetti quantistici e contribuire all'abbattimento della barriera esistente allo sviluppo futuro dell'informatica quantica.

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