La ricerca nel campo della computazione quantistica sta avanzando a passi da gigante, con l’obiettivo di risolvere alcune delle sfide più complesse che l’umanità si trova ad affrontare oggi. Tuttavia, uno degli aspetti cruciali per il successo di questa tecnologia è la*trasduzione dell’informazione all’interno delle reti quantistiche. In questo contesto, un team di ricercatori dell’Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha sviluppato un nuovo metodo per manipolare i qubit – i bit quantistici – utilizzando le eccitazioni magnetiche chiamate magnoni. Questo approccio potrebbe aprire nuove possibilità per la trasmissione di informazioni all’interno delle reti quantistiche, superando alcune delle sfide attuali, come l’instabilità dei qubit e l’efficienza della comunicazione.
La costruzione di un computer quantistico programmabile e universale è una delle imprese ingegneristiche e scientifiche più impegnative del nostro tempo. La realizzazione di un tale computer potrebbe rivoluzionare diversi settori industriali, come la logistica, la finanza e la farmaceutica. Tuttavia, la costruzione di un computer quantistico pratico è ostacolata dalla fragilità intrinseca con cui le informazioni sono memorizzate ed elaborate in questa tecnologia. I qubit, in cui è codificata l’informazione quantistica, sono estremamente sensibili al rumore del loro ambiente. Fluttuazioni termiche minime, anche di una frazione di grado Celsius, potrebbero interrompere completamente il calcolo.
Il metodo attualmente stabilito per trasferire informazioni quantistiche e indirizzare i qubit è attraverso antenne a microonde. Questo è l’approccio utilizzato da Google e IBM nei loro chip superconduttori, la piattaforma tecnologica all’avanguardia in questa corsa quantistica. “Noi, invece, indirizziamo i qubit con i magnoni”, afferma Helmut Schultheiß, fisico dell’HZDR che ha supervisionato il lavoro. “I magnoni possono essere pensati come onde di eccitazione magnetica che passano attraverso un materiale magnetico. Il vantaggio qui è che la lunghezza d’onda dei magnoni è nell’ordine del micrometro e quindi significativamente più corta delle onde di centimetro della tecnologia a microonde convenzionale. Di conseguenza, l’impronta a microonde dei magnoni occupa meno spazio nel chip.”
Il gruppo HZDR ha studiato l’interazione dei magnoni con i qubit formati da vacanze di atomi di silicio nella struttura cristallina del carburo di silicio, un materiale comunemente utilizzato nell’elettronica ad alta potenza. Questi tipi di qubit sono tipicamente chiamati qubit di spin, dato che l’informazione quantistica è codificata nello stato di spin della vacanza. Ma come possono i magnoni essere utilizzati per controllare questi tipi di qubit?
“Tipicamente, i magnoni sono generati con antenne a microonde. Questo pone il problema che è molto difficile separare la spinta a microonde proveniente dall’antenna da quella proveniente dai magnoni”, spiega Mauricio Bejarano, primo autore della pubblicazione. Per isolare le microonde dai magnoni, il team HZDR ha utilizzato un fenomeno magnetico esotico osservabile in dischi magnetici microscopici di una lega di nichel-ferro. “A causa di un processo non lineare, alcuni magnoni all’interno del disco possiedono una frequenza molto più bassa rispetto alla frequenza di guida dell’antenna. Manipoliamo i qubit solo con questi magnoni a frequenza più bassa.” Il team di ricerca sottolinea di non aver ancora eseguito calcoli quantistici. Tuttavia, hanno dimostrato che è fondamentalmente fattibile indirizzare i qubit esclusivamente con i magnoni.
“Fino ad oggi, la comunità di ingegneria quantistica non si è ancora resa conto che i magnoni possono essere utilizzati per controllare i qubit”, sottolinea Schultheiß. “Ma i nostri esperimenti dimostrano che queste onde magnetiche potrebbero effettivamente essere utili.” Per sviluppare ulteriormente il loro approccio, il team sta già preparando i piani futuri: vogliono provare a controllare diversi qubit individuali ravvicinati in modo tale che i magnoni medino il loro processo di intreccio – un prerequisito per eseguire calcoli quantistici.
La loro visione è che, a lungo termine, i magnoni potrebbero essere eccitati da correnti elettriche dirette con tale precisione da indirizzare specificamente ed esclusivamente un singolo qubit in un array di qubit. Questo renderebbe possibile utilizzare i magnoni come un bus quantico programmabile per indirizzare i qubit in modo estremamente efficace. Sebbene ci sia ancora molto lavoro da fare, la ricerca del gruppo evidenzia che combinare sistemi magnonici con tecnologie quantistiche potrebbe fornire spunti utili per lo sviluppo di un computer quantistico pratico in futuro.
