Riassunto:
Un gruppo di ricerca scientifica internazionale ha recentemente proposto un nuovo metodo di lettura delle informazioni quantistiche, che dovrebbe ottenere lo stato del qubit senza disturbare in modo significativo il sistema quantistico, fornendo un percorso tecnico più efficiente per il monitoraggio e il controllo dei futuri computer quantistici. La ricerca mostra che un tipo di dispositivo quantistico chiamato "Qubit Andreev" può esporre il suo stato interno attraverso il segnale di corrente che genera, riducendo così la distruzione delle informazioni quantistiche durante le misurazioni tradizionali.
Nei computer classici, i bit possono assumere solo due stati: 0 o 1. Tuttavia, i qubit nell'informatica quantistica non solo possono rappresentare 0 e 1, ma possono anche trovarsi in uno stato quantistico formato dalla sovrapposizione dei due. È questa caratteristica che fa sì che i computer quantistici superino di gran lunga i computer tradizionali in compiti specifici. Ma allo stesso tempo, gli stati quantistici sono estremamente fragili e sia le interferenze ambientali che l’atto stesso della misurazione possono modificare il loro stato e causare la perdita di informazioni.
Questa ricerca si concentra sui qubit Andreev. Tali qubit si basano su speciali stati quantistici formati tra materiali superconduttori. Il sistema progettato dal gruppo di ricerca è costituito da un nanofilo estremamente sottile di arseniuro di indio. Le due estremità del nanofilo sono collegate a materiali superconduttori e al centro si forma un punto quantico per limitare lo spazio di attività degli elettroni. Lo stato del qubit Andreev si forma in questo ambiente microscopico.
José Carlos Egues, uno dei leader della ricerca e professore presso l'Istituto di fisica São Carlos dell'Università di San Paolo in Brasile, ha affermato che nel quadro della meccanica quantistica tradizionale, la misurazione diretta dei qubit spesso li fa collassare in un determinato stato, distruggendo così le informazioni originariamente conservate. Pertanto, molte attuali soluzioni di calcolo quantistico introdurranno qubit ausiliari come “intermediari” per trasferire prima le informazioni ai qubit ausiliari e quindi misurare questi ultimi per ridurre al minimo l’impatto sui qubit target.
Tuttavia, questo metodo richiede apparecchiature e passaggi operativi aggiuntivi, il che aumenta la complessità del sistema. Il gruppo di ricerca ha proposto un’idea diversa, ovvero quella di utilizzare direttamente il segnale generato dal qubit target stesso per leggere le informazioni senza ricorrere a qubit ausiliari.
Secondo i calcoli teorici, il qubit è inserito in un circuito superconduttore chiuso e nel circuito scorre una supercorrente senza resistenza. La ricerca ha scoperto che quando i qubit sono in uno stato di sovrapposizione, l’interferenza quantistica tra diversi stati fa sì che alcune supercorrenti producano oscillazioni periodiche. Questo segnale oscillante è la chiave per i ricercatori per ottenere informazioni quantistiche.
Normalmente, questo tipo di fenomeno di oscillazione richiede l'applicazione di tensione per produrre il famoso effetto AC Josephson. Il sistema proposto in questo studio non richiede tensione esterna e l'oscillazione è interamente derivata dal processo di evoluzione dello stato stesso del qubit. Ciò significa che il qubit "rilascerà" attivamente le proprie informazioni sullo stato.
Per rilevare questo debole segnale, i ricercatori hanno progettato e utilizzato SQUID (interferometro quantistico superconduttore) come dispositivo di lettura. SQUID è in grado di rilevare variazioni del campo magnetico estremamente deboli. Il gruppo di ricerca ha affermato con chiarezza che il qubit e SQUID possono essere considerati come due bussole vicine l’una all’altra. La corrente nel qubit genererà un campo magnetico e SQUID percepirà questo cambiamento nel campo magnetico. Poiché l’accoppiamento tra i due è estremamente debole, anche la perturbazione prodotta dal dispositivo di misura sul qubit stesso è molto limitata.
Ulteriori analisi hanno rivelato che tutte le informazioni chiave sullo stato del qubit erano codificate nella supercorrente. La supercorrente contiene sia una parte costante che una parte oscillante. Il valore di corrente costante e l'ampiezza dell'oscillazione possono rivelare la proporzione tra 0 e 1 nello stato quantistico, mentre il momento in cui inizia l'oscillazione riflette la relazione di fase tra i due stati. Registrando come la corrente cambia nel tempo, i ricercatori sono stati in grado di ricostruire lo stato quantico originale del qubit.
Questo approccio ha anche l'importante vantaggio di consentire ai ricercatori di monitorare continuamente l'evoluzione dei qubit senza doverli reinizializzare dopo ogni misurazione, rendendo più semplice l'osservazione del comportamento dinamico dei sistemi quantistici.
Il team di ricerca ha aggiunto fattori realistici come il rumore di misurazione e il feedback della bobina di rilevamento nell'esperimento di simulazione. I risultati mostrano che la precisione della misurazione può raggiungere rispettivamente il 99,52%, 99,81% e 99,85%, a seconda del numero di misurazioni. Questi indicatori hanno raggiunto i requisiti di precisione comunemente utilizzati nell’attuale tecnologia di correzione degli errori quantistici.
I ricercatori hanno sottolineato che questa soluzione non risolve fondamentalmente il problema di base dell'inevitabile impatto delle misurazioni quantistiche, ma può ridurre questo impatto a un livello molto basso eliminando la dipendenza dai qubit ausiliari nelle tradizionali soluzioni di misurazione non distruttive.
Questo studio è stato completato congiuntamente da ricercatori dell'Università di San Paolo in Brasile e del Beijing Institute of Technology in Cina. I risultati rilevanti sono stati pubblicati in "Physical Review B". Il gruppo di ricerca ha affermato che la tecnologia SQUID utilizzata per rilevare correnti ultradeboli e campi magnetici è già abbastanza matura, quindi non è necessario attendere nuovi materiali o scoperte tecnologiche di produzione per implementare questa soluzione. Tutti i parametri utilizzati nello studio derivano da sistemi reali. L'unica cosa che non è stata effettivamente costruita è la struttura specifica del dispositivo e il layout sperimentale proposti dal gruppo di ricerca.
I ricercatori ritengono che, una volta completata la corrispondente verifica sperimentale, questo nuovo metodo di lettura delle informazioni quantistiche attraverso la supercorrente del qubit stesso dovrebbe diventare un'importante base tecnica per i futuri computer quantistici per ottenere un monitoraggio ad alta precisione e a bassa interferenza.
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