I qubit di spin al silicio sono da tempo i promettenti superperformanti del calcolo quantistico: possono essere fabbricati usando gli stessi metodi a semiconduttore che sfornano i chip dei computer di oggi, che è l'equivalente tecnologico di presentarsi a un evento in abito da sera con un vestito che già possiedi. Il problema, naturalmente, è che quando provi a controllare più qubit contemporaneamente, le loro operazioni diventano meno accurate - un po' come radunare gatti, se i gatti fossero subatomici e avessero la tendenza a cambiare fase inaspettatamente. Costruire computer quantistici pratici su larga scala richiede di controllare molti qubit simultaneamente mantenendo gli errori al minimo, che è il problema annoso del campo: "sì, ma come?".

I ricercatori del RIKEN Center for Emergent Matter Science e i loro collaboratori hanno ora fatto importanti progressi verso la soluzione. In uno studio pubblicato su Nature Physics, il team ha dimostrato un controllo altamente accurato di diversi qubit di spin al silicio operanti simultaneamente. I loro esperimenti hanno utilizzato un array di cinque qubit collegati a una linea di controllo a microonde condivisa - perché apparentemente anche i bit quantistici apprezzano l'efficienza di una buona risorsa condivisa. Identificando una delle principali cause di errori durante il funzionamento simultaneo, gli scienziati hanno sviluppato una tecnica per ridurre tali errori e mantenere la precisione, dimostrando che puoi effettivamente avere i tuoi qubit e controllarli anche.

Leon Camenzind, ricercatore RIKEN e co-primo autore che ha supervisionato gli esperimenti, ha spiegato l'importanza: "Questo dimostra che un controllo ad alta fedeltà può essere mantenuto anche quando diversi qubit vengono operati contemporaneamente e rappresenta un passo importante verso l'espansione dei processori quantistici basati sul silicio." Che è il modo degli scienziati per dire "l'abbiamo fatto funzionare, ed è un grosso affare".

A differenza dei computer convenzionali, che memorizzano le informazioni come bit che rappresentano 0 o 1, i computer quantistici usano bit quantistici, o qubit, che possono esistere in combinazioni di entrambi gli stati - perché scegliere uno quando puoi essere indeciso in modo fondamentalmente utile? I qubit di spin al silicio memorizzano queste informazioni usando lo spin di singoli elettroni confinati nel silicio. Eseguire calcoli quantistici affidabili richiede un controllo estremamente preciso su questi spin elettronici, il che è più facile a dirsi che a farsi quando hai a che fare con l'equivalente quantistico di una stanza piena di bambini piccoli.

I segnali a microonde forniscono quel controllo, ma operare più qubit contemporaneamente può creare effetti indesiderati che interferiscono con la loro accuratezza. I ricercatori hanno ricondotto gran parte di questo problema a un fenomeno chiamato spostamento di Stark AC. Questo effetto si verifica quando i segnali di controllo a microonde alterano i livelli energetici effettivi di un qubit, producendo cambiamenti nella fase del suo stato quantistico. Tali sfasamenti possono disturbare il funzionamento previsto dei singoli qubit, in particolare quando se ne controllano diversi contemporaneamente - un classico caso di troppi cuochi nella cucina quantistica.

Per contrastare il problema, il team ha creato un metodo di calibrazione che compensa questi spostamenti indesiderati. Invece di calibrare separatamente ogni possibile combinazione di qubit - che sarebbe un incubo combinatorio - la tecnica si basa su calibrazioni eseguite tra coppie di qubit. Questo rende l'approccio più pratico per sistemi contenenti un numero maggiore di bit quantistici. "Invece di richiedere una procedura di calibrazione completamente separata per ogni possibile combinazione di qubit, il nostro metodo utilizza calibrazioni tra coppie di qubit per compensare gli sfasamenti indesiderati", spiega Yi-Hsien Wu, il primo autore che ha eseguito gli esperimenti come parte della sua ricerca di dottorato. In altre parole, hanno trovato un modo per evitare di fare lo stesso noioso compito all'infinito, il che è una vittoria per l'efficienza e per la sanità mentale di Wu.

I ricercatori hanno combinato la loro tecnica di calibrazione con un design del dispositivo migliorato e impulsi di controllo a microonde accuratamente regolati. I loro risultati hanno mostrato che un'accuratezza eccezionalmente elevata poteva essere mantenuta anche quando più qubit