Un recente studio pubblicato su Nature Physics presenta un approccio innovativo per affrontare uno dei principali ostacoli nello sviluppo dei computer quantistici: la correzione degli errori. Il team di ricerca dell’Università del Nuovo Galles del Sud (UNSW) di Sydney, guidato dal professor Andrea Morello, ha esplorato l’utilizzo di stati quantistici complessi, noti come “stati del gatto di Schrödinger”, applicati a un sistema di spin nucleare in silicio. L’esperimento teorico ha portato a realizzare il primo chip per computer quantistici che permette di rilevare gli errori, e perciò di correggerli, prima che compromettano il calcolo.
Sotto la guida dell’italiano Andrea Morello, i ricercatori hanno preso spunto da uno degli esperimenti più celebri della fisica quantistica: quello del gatto di Schrödinger. In questo esperimento teorico, un gatto viene chiuso in una scatola insieme a una sostanza radioattiva, e la sua sopravvivenza dipende dal decadimento dell’atomo. Finché l’atomo non viene osservato direttamente, esso si trova in una sovrapposizione di stati, sia decaduto che non decaduto. Di conseguenza, anche il gatto si trova simultaneamente in entrambe le condizioni, sia vivo che morto.
Tradizionalmente, i qubit, le unità fondamentali di informazione nei computer quantistici, sono rappresentati da sistemi a due stati, spesso indicati come “spin up” (1) e “spin down” (0). Tuttavia, questi sistemi sono estremamente sensibili alle perturbazioni esterne, il che può portare a errori significativi nei calcoli. Per mitigare questo problema, i ricercatori hanno investigato l’uso di un “qudit”, un sistema quantistico con più di due stati.
“Nel nostro lavoro, il ‘gatto’ è un atomo di antimonio”, dice il primo autore dell’articolo, Xi Yu. L’antimonio è un atomo complesso, nel quale gli elettroni nel loro movimento di rotazione (spin) possono assumere otto direzioni anziché due.
Una delle tecnologie alla base dei computer quantistici utilizza lo spin come unità di informazione (qubit) : “se il qubit è uno spin, possiamo chiamare ‘spin down’ lo stato 0 e ‘spin up’ lo stato 1. Ma se la direzione dello spin cambia improvvisamente, abbiamo subito un errore logico: 0 diventa 1 o viceversa, in un colpo solo. Ecco perché l’informazione quantistica è così fragile”, osserva il coautore della ricerca Benjamin Wilhelm.
In particolare, hanno utilizzato il nucleo di un atomo di antimonio impiantato in silicio, che possiede uno spin nucleare con un numero quantico di spin di 7/2. Ciò significa che il sistema può occupare otto diversi stati di spin, offrendo una maggiore complessità e potenzialmente una maggiore resistenza agli errori.
Il concetto del “gatto di Schrödinger” è stato utilizzato per descrivere stati quantistici che sono sovrapposizioni di più stati macroscopicamente distinti. In questo studio, i ricercatori sono riusciti a creare e controllare stati del gatto di Schrödinger nel sistema di spin nucleare dell’antimonio, dimostrando la possibilità di manipolare stati quantistici complessi in un materiale semiconduttore come il silicio.
Una delle principali sfide nella realizzazione di computer quantistici pratici è la correzione degli errori quantistici. I qubit tradizionali sono suscettibili a decoerenza e altri tipi di errori, rendendo necessarie complesse strategie di correzione degli errori. L’utilizzo di qudit con più stati, come dimostrato in questo studio, potrebbe offrire una via alternativa per la correzione degli errori, riducendo la probabilità che un singolo errore comprometta l’informazione quantistica.
Il professor Morello ha sottolineato l’importanza di questa scoperta, affermando che “la capacità di creare e controllare stati del gatto di Schrödinger in un sistema di spin nucleare in silicio apre nuove possibilità per la realizzazione di computer quantistici più robusti e scalabili”. Questa ricerca rappresenta un passo significativo verso lo sviluppo di tecnologie quantistiche pratiche e affidabili.
In conclusione, lo studio dimostra che l’uso di sistemi quantistici con più stati, come i qudit basati su spin nucleari in silicio, può offrire vantaggi significativi nella correzione degli errori e nella realizzazione di computer quantistici più stabili. Questa linea di ricerca potrebbe portare a progressi sostanziali nel campo dell’informatica quantistica, avvicinando la possibilità di applicazioni pratiche su larga scala.
Fonte: NATURE