Convincere i qubit a restare nel loro stato quantistico per tempi sempre più lunghi è da anni una delle sfide principali della meccanica quantistica. Una continua lotta “contro” il tempo (di coerenza) da cui dipende la realizzazione di dispositivi come sensori, giroscopi e memorie che mostrino con fatti e casi d’uso l’importanza di questa branca della Fisica. Per questo ogni passo avanti in tal senso viene celebrato e, soprattutto, analizzato profondamente, per comprenderne la reale consistenza e la scalabilità. È proprio ciò che sta accadendo con quello compiuto e illustrato in un articolo pubblicato su Physical Review Letters da un team di ingegneria quantistica del MIT. Nel testo si parla di un metodo per aumentare di 20 volte i tempi di coerenza dei qubit a spin nucleare, sembra funzioni e prometta nuovi sviluppi. Si basa sul meccanismo di cancellazione del rumore, proprio come le cuffie utilizzate anche nel mondo consumer, anche da chi non “frequenta” qubit quotidianamente.
Imparare a “correggere” orologi sfasati
Il risultato sperimentale che sta scatenando unanimi entusiasmi nel mondo scientifico è frutto di uno studio teorico della scorsa primavera, focalizzato sui centri NV, piccole impurità con il proprio specifico stato di spin quantistico presenti a decine di miliardi in sensori, memorie e giroscopi. Sono da immaginare come un esercito di piccoli “orologi” prima perfettamente sincronizzati, ma che poi perdono la fase: ogni singolo spin diventa leggermente diverso dagli altri, rendendo impossibili misure e applicazioni conseguenti.
Lavorando con formule, ipotesi e tenacia, il gruppo ha cercato di far procedere insieme questi grandi insiemi di centri NV in modo che restassero come orologi tutti con lo stesso tempo di de-fase, preservando quindi la coerenza di fase e l’informazione quantistica. È proprio in questi mesi di studio a tavolino che prende forma la teoria alla base del de-phasing indotto dall’eterogeneità della temperatura. Il team del MIT si è impegnato a calcolare come la temperatura e la deformazione influenzano i diversi tipi di interazioni che possono portare alla decoerenza. Guardando i risultati, ha poi avuto l’idea “sperimentale”: caratterizzando il modo in cui queste interazioni sono influenzate dal calore, si può intervenire in laboratorio per compensarne l’effetto, estendendo così i tempi di coerenza del sistema, proprio come desiderato.
Senza voler banalizzare la scoperta, in un certo senso il principio di base è lo stesso con cui funzionano le cuffie a cancellazione del rumore che sfruttano frequenze specifiche per filtrare quello circostante. Questo nuovo approccio, nuovo per lo meno per il contesto, è stato ribattezzato “eco sbilanciato” e ha permesso agli scienziati di estendere i tempi di coerenza da 150 microsecondi a 3 millisecondi. Non si escludono addirittura altri nuovi progressi, esplorando diverse fonti di rumore possibili: sembrerebbe che, una volta che le si riesce a descrivere, poi si possono anche annullare. Un meccanismo che, teoricamente, potrebbe non porre limiti al miglioramento.
La cancellazione continua
All’interno della comunità scientifica, ciò che più entusiasma è l’utilizzo di diversi rumori di interazione per annullarsi a vicenda, in modo altamente selettivo. Per chi guarda con fiducia al mondo del quantum computing, ma non da “insider”, l’importanza della scoperta del MIT è racchiusa nella possibilità di declinarne l’uso in molti ambiti differenti.
Con il sistema realizzato, si potrebbero per esempio esaminare le correnti elettriche nei veicoli elettrici e i campi di deformazione di strutture critiche, ponti compresi. Nel mondo micro, aiuterebbe a misurare la distribuzione della temperatura sulla superficie dei materiali e a mappare l’attività neuronale dai campi elettromagnetici per una migliore comprensione di alcuni processi biologici. E poi ci sono altre applicazioni in campo quantistico da esplorare, in primis sulle memorie che non aspettavano altro che qualcuno che scoprisse un modo per estendere il tempo di coerenza dei qubit senza provocare perdita di dati.
Per il team di ingegneri del MIT il lavoro non manca: nella loro to do list la prima voce riguarda però lo studio di ulteriori fonti di rumore, perché porterebbe a far aumentare ulteriormente il tempo di coerenza. Nel frattempo, pensano anche a come applicare questo sistema per creare un giroscopio quantistico, ottimizzando anche i suoi altri parametri chiave, oltre al tempo di coerenza, e ottenere la massima sensibilità mai vista.
