Computer quantistici a onde sonore

Imparare come trasportare un singolo elettrone tra due punti distanti tra loro, senza che questo perda informazione lungo il tragitto, è il primo (difficile) passo per la realizzazione dei computer quantistici. Ci sono vicini alcuni ricercatori dell’Università di Cambridge, che in uno studio pubblicato sulle pagine di Nature spiegano come siano riusciti a far “rimbalzare” fino a sessanta volte una particella carica da una parte all’altra di un filo elettrico. Una tecnologia che potrebbe essere usata per controllare il trasferimento di qubit (l’unità minima di dati in questi elaboratori) tra i componenti dei computer del futuro.

Se si pensa a un cavo percorso da corrente probabilmente si immagina all’interno di esso un flusso ordinato di elettroni che viaggiano in una direzione precisa, da un capo all’altro del filo. La realtà però è decisamente diversa: ognuno di essi nel suo tragitto segue un complicato percorso a zig zag, lungo il quale può incontrare o girare intorno ad altre particelle cariche. Nell’interagire con l’ambiente che lo circonda, l’elettrone può smarrire l’informazione che sta trasportando: in questo caso si dice che lo stato quantico che lo rappresenta ha perso coerenza, e la particella non può più essere usata come messaggero di dati. Per ovviare al problema, gli scienziati britannici hanno dunque pensato di costruire una sorta di tappeto volante per intrappolare il singolo elettrone. In pratica si tratta di sollevarlo a livelli di energia superiori a quelli delle altre particelle, e lo si fa così viaggiare indisturbato per tratti relativamente lunghi.

Secondo l’idea dei ricercatori, infatti, per poterlo trasportare, il corpo carico deve venire inizialmente intrappolato in una piccola buca chiamata punto quantico (in inglese quantum dot), dentro un pezzo di un semiconduttore di arseniuro di gallio (GaAs). All’interno di quest’ultimo, il potenziale elettrostatico (ovvero il valore dell’energia del campo elettrico percepito in un punto da una particella carica) viene poi plasmato grazie a una brevissima onda sonora, che passa proprio attraverso la buca. Il segnale, che dura appena qualche miliardesimo di secondo, crea un canale ad energia più alta di quella degli altri elettroni, che collega il punto quantico su cui si trova l’elettrone a un altro quantum dot lontano qualche milionesimo di metro. L’onda che accompagna il potenziale elettrostatico preleva dunque l’elettrone e lo fa scivolare nel canale di energia, permettendogli di raggiungere l’altra buca, dalla quale viene nuovamente risucchiato.

“Il movimento è simile a quello che si ha nell’esofago quando ingoiamo un boccone e la contrazione successiva dei nostri muscoli accompagna il cibo dalla bocca allo stomaco”, ha spiegato Rob McNeil, uno degli autori. Una volta che l’elettrone è stato spostato, un’altra onda sonora uguale alla precedente può farlo avanzare ulteriormente, mentre una inviata in direzione contraria può riportarlo alla posizione di partenza: con questo metodo i ricercatori sono riusciti a mandare un singolo elettrone avanti e indietro per più di sessanta volte lungo una distanza totale di quasi 0,25 millimetri (una distanza pressoché macroscopica, rispetto alle dimensioni delle particelle).

“Questo tipo di tecnologia permetterà ai computer quantistici di funzionare”, ha commentato Chris Ford, coordinatore della ricerca. “Molti team nel mondo stanno lavorando per costruire parti di questi nuovi elaboratori, che promettono prestazioni molto maggiori di quelli classici. Ma per ora pochi sforzi erano stati fatti per lo sviluppo di metodi che connettessero le diverse componenti, come la memoria e il processore. Se riusciremo a dimostrare che tramite questa tecnologia l’elettrone effettivamente non perde l’informazione che trasporta, il metodo potrà essere poi utilizzato proprio per spostare i qubit all’interno dei circuiti di un computer quantistico“.

Riferimenti: Nature doi: 10.1038/nature10444