Le molecole hanno una struttura molto complessa e ricca, che permette loro di ruotare e vibrare liberamente. Di conseguenza, hanno uno spazio quasi illimitato in cui gli informatici possono codificare le informazioni quantistiche. Oltre alla loro vasta area interna, le molecole sono in grado di interazioni di vasta portata e quindi possono essere intrecciate con altre molecole separate.

A causa di queste qualità benefiche, molti ingegneri e fisici hanno studiato il potenziale uso delle particelle per applicazioni di calcolo quantistico. Mentre alcuni computer quantistici basati su particelle hanno avuto risultati promettenti, gli scienziati hanno scoperto che i qubit immagazzinati nelle molecole sono vulnerabili alla decoerenza (cioè alla perdita di informazioni trasmesse dal sistema quantistico all’ambiente circostante).

I ricercatori dell’Università di Durham nel Regno Unito hanno recentemente condotto uno studio volto a studiare la possibilità che le informazioni quantistiche vengano archiviate in molecole polari ultra fredde. Nel loro articolo pubblicato su Fisica della naturaIl team è riuscito a dimostrare che i qubit sono immagazzinati nelle molecole riducendo la decoerenza, che potrebbe avere importanti implicazioni per lo sviluppo di strumenti di calcolo quantistico.

“Una delle maggiori sfide per tutte le piattaforme di calcolo quantistico è lo sviluppo di metodi ingegneristici che evitino la perdita di informazioni quantistiche attraverso la decoerenza”, hanno detto a Phys.org via e-mail Philippe de Gregory e Simon L. Corniche, due dei ricercatori che hanno condotto lo studio. . “Quindi il nostro obiettivo principale era dimostrare che le informazioni quantistiche possono essere archiviate in una molecola per periodi eccezionalmente lunghi, soddisfacendo così uno dei requisiti per la costruzione di un computer quantistico utilizzando particelle ultrafredde”.

L’obiettivo principale del recente lavoro di Gregory, Cornish e dei loro colleghi era identificare, comprendere e infine eliminare tutte le fonti di decoerenza sperimentalmente rilevanti nei qubit immagazzinati nelle molecole. Innanzitutto, il team ha misurato la coerenza nel loro sistema quantistico utilizzando una tecnica nota come interferometria di Ramsey in diversi stati di qubit. Hanno quindi ricreato una sovrapposizione di stati qubit utilizzando le microonde e hanno permesso al sistema di evolversi nel tempo.

“Per testare la coerenza, abbiamo utilizzato un secondo impulso a microonde che porta a un’interferenza dipendente dalla fase tra la popolazione dello stato”, hanno spiegato Gregory e Cornish. “Quello che abbiamo osservato sono oscillazioni nel numero di particelle in entrambi gli stati qubit in funzione del tempo, e abbiamo anche scoperto che la decoerenza è caratterizzata da una riduzione dell’ampiezza o anisotropia di tali oscillazioni”.

Utilizzando il loro metodo basato su impulsi a microonde, Gregory, Cornish e i loro colleghi sono stati in grado di esaminare il tempo di coerenza in funzione di qualsiasi parametro utilizzato nel loro esperimento (ad esempio, il campo magnetico o la polarizzazione della luce intrappolata), semplicemente modificando il valore del parametro per il periodo tra gli impulsi a microonde in una sequenza simbolica. Infine, hanno confrontato le loro scoperte con un modello dettagliato dello spin e della struttura minuta della molecola in cui è stato memorizzato il qubit. Ciò ha permesso loro di comprendere i ruoli unici delle diverse interazioni all’interno della molecola che possono contribuire alla perdita di coesione del sistema.

“Il nostro risultato più importante è l’eliminazione delle fonti di decoerenza nel nostro esperimento”, hanno affermato Gregory e Cornish. “Ciò ha implicazioni per l’informatica quantistica con particelle estremamente fredde, dove le informazioni quantistiche possono ora essere archiviate per periodi di tempo molto più lunghi”.

Nel loro esperimento, i ricercatori sono stati in grado di eliminare la sensibilità al rumore del campo magnetico identificando una coppia di stati ultrafini che, se esposti a uno specifico campo magnetico, hanno tra loro una differenza di energia che non dipende da piccole variazioni nel campo magnetico. Inoltre, Gregory, Cornish e i loro colleghi hanno rilevato un sottile cambiamento alla luce della tensione tra gli stati dei qubit. Tuttavia, mostrano che questo spostamento può essere eliminato anche mediante un’attenta selezione dell’angolo di polarizzazione del laser intrappolato.

“Sorprendentemente, dopo aver rimosso tutte le fonti di decoerenza, abbiamo scoperto che il tempo di coerenza era molto più lungo della durata del nostro gas molecolare (che è delimitata dalla perdita per collisione)”, hanno affermato Gregory e Cornish.

In futuro, questo lavoro potrebbe aiutare lo sviluppo di nuove tecnologie quantistiche che memorizzano le informazioni all’interno delle molecole. Inoltre, potrebbe avere implicazioni preziose per la gamma di misurazioni, poiché le tecniche utilizzate da Gregory, Cornish e colleghi consentono tempi di reazione particolarmente lunghi con le molecole. Ciò significa che può essere utilizzato per raccogliere misurazioni ad alta risoluzione in stati ultrafini delle molecole, che a loro volta potrebbero ampliare l’attuale comprensione della loro struttura interna.

“I processi di gate con molecole ultra-fredde sono possibili utilizzando interazioni dipolo-dipolo”, hanno affermato Gregory e Cornish. “È possibile accedere a tali interazioni utilizzando gli stati di spin della molecola. Attualmente stiamo sviluppando una trappola magica di spin, in cui lo spostamento della luce e i primi stati eccitati alternati sono identici. Una tale trappola sosterrebbe una lunga coerenza tra gli stati di spin, che sarebbe importante implementare porte entangled ad alta risoluzione, oltre a studiare modelli relativi al magnetismo quantistico.

Per molte applicazioni dell’informatica quantistica, l’uso di particelle ultrafredde è fattibile solo se le particelle sono confinate all’interno di una matrice spaziale controllabile che può essere osservata e accessibile individualmente. Così Gregory, Cornish e i loro colleghi stanno ora lavorando anche a una strategia per caricare le molecole in reti ottiche e per assemblare singole molecole in matrici, conservandole all’interno di pinzette ottiche.

“Isolare le molecole in questo modo eviterà anche le collisioni tra le molecole”, hanno aggiunto Gregory e Cornish. “Ciò aumenterà ulteriormente il tempo di reazione disponibile e ci consentirà di fissare limiti migliori al tempo di coerenza in futuro”.

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