Manipolare i qubit con il laser

Utilizzando la luce, i ricercatori della UC di Santa Barbara sono riusciti a manipolare lo stato quantistico di un singolo atomo di diamante usando un fascio di fotoni sparato da un laser puntato su uno dei “difetti” delle punte di diamante, tecnicamente conosciuto come nitrogen-vacancy center (NV). I risultati sono pubblicati nell’ultimo numero della rivista Proceedings of National Academy of Sciences.

“In contrasto con l’elettronica convenzionale, abbiamo sviluppato un sistema totalmente ottico per il controllo dei singoli bit quantistici nei semiconduttori utilizzando impulsi di luce”, ha detto David Awschalom, direttore del Centro di ricerca per la spintronica e la computazione quantistica dell’Università della California per la spintronica. “Questa scoperta offre un’opportunità interessante per l’elaborazione e la comunicazione dell’informazione quantistica con i chip fotonici”.

L’NV è uno dei numerosi difetti del diamante. La sua proprietà più sfruttata è la fotoluminescenza, dato che può essere facilmente rilevata. Inoltre, gli spin elettronici possono essere manipolati a temperatura ambiente con varie tecniche: con un campo magnetico, un campo elettrico, con una radiazione a microonde, con la luce, oppure con una combinazione di tecniche grazie all’intensità e alla lunghezza d’onda della fotoluminescenza. La combinazione di tecnologie elettriche ed ottiche è appena stata testata sperimentalmente.

Un computer ordinario processa le informazioni sottoforma di bit. A differenza dei bit, i cui valori sono 0 o 1, per i qubit non valgono le restrizioni della logica binaria. Il nucleo di un atomo somiglia ad un magnete (molto debole). Questo nucleo-magnete può puntare “su” e “giù” (lo spin, appunto o direzione naturale). Un qubit spin-based (basato sullo spin) sfrutta il fatto che gli elettroni e i nuclei atomici possono ruotare attorno ai propri assi sia in senso orario che in senso antiorario (i valori sono equivalenti a 0 e 1), e possono farlo in entrambe le direzioni simultaneamente in virtù del principio di sovrapposizione quantistica. Tecnologie impensabili per un computer tradizionale.

Il metodo più comune per la polarizzazione dello spin nucleare è conosciuto come polarizzazione nucleare dinamica: ciò significa che gli spin elettronici influenzano il nucleo facendolo ruotare nella loro tessa direzione.  La sfida consiste nell’esplorare altri materiali oltre al silicio – il diamante promette di lo studio di sistemi quantistici inesplorati.

Non solo. I network di comunicazione quantistica sfrutteranno le potenzialità di questo esperimento, dato che, se si dispone di una vasta gamma di questi qubit in ordine, e se si usano campi a microonde convenzionali, diventa difficile “parlare” con uno di loro senza parlare con tutti gli altri. Invece, se si usa una tecnica ottica è in linea di principio possibile concentrare la luce su un singolo qubit, indirizzando in questo modo il flusso di informazioni (in entrata). Ciò nonostante, per effettuare concreti progressi nel campo della crittografia quantistica saranno necessari molti altri esperimenti.