Qubit al silicio, precisione del 99,99% con tre in parallelo

Su un chip di silicio, cinque spin di elettroni sono pilotati da un’unica linea a microonde, e ciascuno di essi deve essere portato allo stato corretto senza disturbare i vicini. È il problema che il Centro RIKEN per la scienza della materia emergente si è proposto di risolvere e, in uno studio pubblicato su Nature Physics, il suo team riferisce che tre qubit possono funzionare contemporaneamente mantenendo una fedeltà di porta superiore al 99,99%. L’esperimento ha utilizzato una matrice di cinque qubit al silicio controllata tramite un’unica linea a microonde condivisa.

Un qubit è l’equivalente quantistico del bit: può assumere una combinazione di 0 e 1. Nei qubit di spin al silicio, questa informazione è immagazzinata nello spin di un elettrone intrappolato nel silicio e viene modificata da impulsi a microonde. Il silicio presenta un vantaggio pratico, perché l’approccio è compatibile con la produzione di semiconduttori già utilizzata per i chip dei computer. Il suo punto debole noto è che, quando più qubit vengono pilotati nello stesso momento, la loro precisione tende a calare, e un computer quantistico incapace di far operare molti qubit insieme resta una macchina di piccole dimensioni.

Il team ha iniziato individuando la causa principale di questo calo: lo spostamento Stark in corrente alternata (AC Stark shift), un effetto indotto dai segnali di controllo a microonde. Esso modifica i livelli energetici effettivi di un qubit e sposta la fase del suo stato quantistico. Il protocollo di mitigazione si basa su tarature tra coppie di qubit per compensare tali sfasamenti. Yi-Hsien Wu, primo autore, ha spiegato che il metodo evita una taratura separata per ogni possibile combinazione di qubit. I singoli qubit, usati uno alla volta, hanno raggiunto fedeltà ben superiori al 99,99% su ciascuno dei cinque qubit, con il valore migliore vicino al 99,999%. La fedeltà misura quanto accuratamente viene eseguita un’operazione quantistica.

Con il protocollo, le fedeltà sono rimaste sopra il 99,99% quando fino a tre qubit operavano contemporaneamente. Con tutti e cinque in funzione insieme, si sono attestate intorno al 99,9%, un livello che gli autori descrivono come vicino ai requisiti pratici del calcolo quantistico a tolleranza di errore. La perdita residua deriva dalla decoerenza indotta dal segnale di comando, cioè una perdita di coerenza quantistica causata dalla potenza più elevata delle microonde che il funzionamento simultaneo richiede. A differenza degli sfasamenti affrontati dal nuovo protocollo, questo effetto non viene corretto dalla taratura, e Camenzind ha affermato che ulteriori miglioramenti del progetto del dispositivo potrebbero aiutare.

Per ora, il risultato resta confinato al laboratorio. Dimostra che le linee di controllo condivise possono essere utilizzate senza sacrificare la precisione, un aspetto importante per chi voglia collegare decine o centinaia di qubit senza una linea dedicata per ciascuno. L’obiettivo di lungo periodo dichiarato dal team è un computer quantistico a tolleranza di errore costruito su qubit di spin al silicio, e Seigo Tarucha, che dirige un progetto di calcolo quantistico al silicio nell’ambito del Moonshot Goal 6 della JST, definisce il controllo parallelo affidabile «un passo essenziale» in questa direzione. Né il RIKEN né il team indicano una data per un processore più grande, e lo studio non ne descrive alcuno.