Minuscole vibrazioni meccaniche possono aiutare un qubit a conservare più a lungo la propria informazione quantistica. Un gruppo della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences ha dimostrato una tecnica di protezione interamente meccanica applicata a uno spin di tipo silicon-vacancy nel diamante: usando in modo continuo i fononi, cioè i quanti delle vibrazioni del materiale, il team ha aumentato il tempo di coerenza di circa tre volte.
Il risultato, pubblicato su Nature Physics, non significa che i computer quantistici siano improvvisamente diventati stabili o pronti per il mercato. Risolve però un problema molto concreto: proteggere un qubit dal rumore senza rinunciare alla sua capacità di interagire con una cavità fononica, la stessa struttura che potrebbe essere usata per trasportare informazione quantistica all’interno di reti integrate su chip.
Come il suono può proteggere un qubit
Nel linguaggio comune il suono è un’onda che possiamo ascoltare. Su scala microscopica, però, le vibrazioni di un solido vengono descritte tramite particelle collettive chiamate fononi. In questo esperimento i ricercatori hanno sfruttato proprio queste vibrazioni per controllare uno spin quantistico ospitato in un difetto del reticolo cristallino del diamante.
Il qubit studiato è un centro silicon-vacancy: un difetto atomico nel diamante che può immagazzinare informazione nello stato di spin. Questi sistemi sono interessanti perché possono interagire sia con segnali ottici sia con vibrazioni meccaniche, ma hanno un limite importante: il loro stato quantistico è sensibile alle fluttuazioni dell’ambiente.
Normalmente, per difendere un qubit dal rumore a bassa frequenza si usano sequenze di impulsi, spesso a microonde, che effettuano una sorta di “disaccoppiamento dinamico” dall’ambiente. Il problema è che questo approccio può diventare difficile da conciliare con una cavità fononica risonante, dove il qubit deve continuare a interagire con le vibrazioni che potrebbero collegarlo ad altri nodi della rete.
Il qubit “vestito” dai fononi
La soluzione del team di Harvard consiste nell’applicare un campo meccanico continuo. Invece di proteggere lo spin con una sequenza separata di impulsi, il qubit viene portato in uno stato detto dressed, cioè “vestito” dal campo acustico. In questa configurazione diventa meno sensibile alle fluttuazioni lente che normalmente ne degradano la coerenza.
Il vantaggio è doppio: la stessa piattaforma fononica può contribuire alla protezione del qubit e restare compatibile con le strutture progettate per trasferire informazione quantistica. Secondo i risultati riportati nello studio, il tempo di coerenza aumenta di circa un fattore tre. Il gruppo ha inoltre dimostrato frequenze di Rabi fino a 800 MHz, un dato che indica la possibilità di eseguire un controllo molto rapido dello stato quantistico.
La ricerca si inserisce in un problema più ampio già centrale nel settore: mantenere i qubit coerenti abbastanza a lungo da poter eseguire operazioni utili. Un altro approccio interessante è quello dei qubit mobili in silicio, dove trasporto, controllo e interazione vengono progettati insieme per rendere più scalabile l’architettura del chip.
Perché la coerenza è uno dei grandi ostacoli del quantum computing
Un qubit non è semplicemente un bit più veloce. La sua utilità deriva dalla possibilità di mantenere e manipolare stati quantistici delicati, come sovrapposizione ed entanglement. Questi stati, però, possono degradarsi quando il sistema interagisce con l’ambiente: campi elettrici e magnetici, vibrazioni indesiderate, difetti del materiale e variazioni termiche introducono rumore.
Questo processo viene generalmente ricondotto alla decoerenza. Più a lungo un qubit conserva la coerenza, più tempo c’è per inizializzarlo, applicare porte logiche, trasferire informazione e leggerne il risultato. Allungare questo intervallo non elimina la necessità della correzione degli errori, ma riduce una delle fonti che rendono il calcolo quantistico così difficile da scalare.
È importante distinguere le due cose. La protezione meccanica dimostrata da Harvard agisce sulla sensibilità del qubit al rumore; i sistemi di correzione degli errori quantistici puntano invece a rilevare e compensare gli errori che restano durante il calcolo. In una macchina realmente fault-tolerant, le due strategie possono essere complementari.
Fononi contro fotoni: perché interessano le reti quantistiche su chip
Le reti quantistiche vengono spesso associate ai fotoni, perché la luce è un mezzo naturale per trasportare informazione. I fononi offrono però alcune caratteristiche interessanti negli ambienti integrati: a parità di frequenza hanno lunghezze d’onda molto più corte, permettono componenti più compatti e possono interagire direttamente con diversi sistemi quantistici allo stato solido.
In una possibile rete fononica, gli spin nel materiale funzionerebbero da nodi stazionari in cui conservare ed elaborare l’informazione, mentre i fononi potrebbero trasferirla tra nodi diversi. Il punto forte del nuovo lavoro è proprio la compatibilità tra queste due funzioni: il campo meccanico che protegge lo spin non impedisce al sistema di vivere dentro una cavità fononica progettata per la comunicazione.
Questo non prova ancora una rete quantistica completa. Dimostra però che una delle incompatibilità pratiche tra forte accoppiamento ai fononi e protezione della coerenza può essere affrontata senza introdurre un secondo sistema di controllo completamente separato.
Cosa non significa questa scoperta
Il dato della coerenza triplicata è significativo, ma va letto nel contesto corretto. L’esperimento riguarda un preciso tipo di spin qubit nel diamante e una specifica architettura fononica. Non equivale a triplicare le prestazioni di tutti i computer quantistici e non risolve da solo problemi come la fabbricazione su larga scala, la correzione degli errori logici o l’integrazione di migliaia di qubit.
Il valore del lavoro è soprattutto ingegneristico: mostra una tecnica che combina controllo rapido, protezione dal rumore e compatibilità con cavità fononiche. Sono tre requisiti che, se sviluppati insieme, possono rendere più realistiche reti quantistiche ibride e compatte.
Lo studio e le fonti
Il lavoro è firmato da Eliza Cornell, Zhujing Xu e colleghi del gruppo di Marko Lončar ed è stato pubblicato su Nature Physics con il titolo All-mechanical coherence protection and fast control of a spin qubit. Harvard ha inoltre illustrato i risultati in un approfondimento ripreso da Phys.org.
Domande frequenti
Cos’è un fonone?
Un fonone è la descrizione quantistica di una vibrazione collettiva all’interno di un materiale. Può essere considerato il quanto associato a un’onda meccanica nel solido.
Di quanto è aumentata la coerenza del qubit?
Nell’esperimento la protezione meccanica continua ha esteso il tempo di coerenza dello spin silicon-vacancy di circa un fattore tre.
I fononi sostituiscono la correzione degli errori quantistici?
No. La tecnica riduce la sensibilità del qubit a determinate forme di rumore e aiuta a conservarne la coerenza. La correzione degli errori resta necessaria per costruire sistemi quantistici fault-tolerant su larga scala.
Quando questa tecnica arriverà nei computer quantistici?
Non c’è ancora una data. Il risultato è sperimentale e riguarda una piattaforma specifica. Il passo successivo sarà dimostrare che il metodo può essere integrato in dispositivi più complessi, con porte fononiche ad alta fedeltà e reti con più nodi.
