Il nanotubo di carbonio è la casa ideale per la rotazione di bit quantici

06 marzo 2023 (Notizie Nanowerk) Gli scienziati stanno gareggiando vigorosamente per trasformare le scoperte controintuitive sul regno quantico di un secolo fa in tecnologie del futuro. L'elemento costitutivo di queste tecnologie è il bit quantico, o qubit. Sono in fase di sviluppo diversi tipi, compresi quelli che utilizzano difetti all'interno delle strutture simmetriche di diamante e silicio. Potrebbero un giorno trasformare l'informatica, accelerare la scoperta di farmaci, generare reti inattaccabili e altro ancora. Lavorando con ricercatori di diverse università, gli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno scoperto un metodo per introdurre elettroni rotanti come qubit in un nanomateriale ospite (Nature Communications, "Qubit di spin elettronici di lunga durata in nanotubi di carbonio a parete singola"). I risultati dei loro test hanno rivelato tempi di coerenza record, la proprietà chiave per qualsiasi qubit pratico perché definisce il numero di operazioni quantistiche che possono essere eseguite durante la vita del qubit. Rappresentazione artistica di nanotubi di carbonio modificati chimicamente che ospitano un elettrone rotante come qubit. (Immagine: Argonne National Laboratory) Gli elettroni hanno una proprietà analoga alla rotazione di una trottola, con una differenza fondamentale. Quando le parti superiori girano in posizione, possono ruotare a destra oa sinistra. Gli elettroni possono comportarsi come se stessero ruotando in entrambe le direzioni contemporaneamente. Questa è una caratteristica quantistica chiamata sovrapposizione. Essere in due stati contemporaneamente rende gli elettroni buoni candidati per gli spin qubit. Gli spin qubit hanno bisogno di un materiale adatto per ospitarli, controllarli e rilevarli, oltre a leggere le informazioni al loro interno. Con questo in mente, il team ha scelto di studiare un nanomateriale costituito solo da atomi di carbonio, ha una forma tubolare cava e ha uno spessore di solo circa un nanometro, o un miliardesimo di metro, circa 100,000 volte più sottile della larghezza di un Capello umano. "Questi nanotubi di carbonio sono in genere lunghi pochi micrometri", ha affermato Xuedan Ma. "Sono per lo più privi di spin nucleari fluttuanti che interferirebbero con lo spin dell'elettrone e ne ridurrebbero il tempo di coerenza". Ma è una scienziata dell'Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), una struttura per utenti dell'Office of Science del DOE. Ricopre anche incarichi presso la Pritzker School of Molecular Engineering presso l'Università di Chicago e il Northwestern-Argonne Institute of Science and Engineering presso la Northwestern University. Il problema che la squadra ha dovuto affrontare è quello nanotubi di carbonio da soli non possono mantenere un elettrone rotante in un sito. Si muove attorno al nanotubo. I ricercatori del passato hanno inserito elettrodi a distanza di nanometri per confinare un elettrone rotante tra di loro. Ma questa disposizione è ingombrante, costosa e difficile da ampliare. L'attuale team ha escogitato un modo per eliminare la necessità di elettrodi o altri dispositivi su scala nanometrica per confinare l'elettrone. Invece, alterano chimicamente la struttura atomica in un nanotubo di carbonio in un modo che intrappola un elettrone rotante in una posizione. "Con nostra grande gratificazione, il nostro metodo di modifica chimica crea uno spin qubit incredibilmente stabile in un nanotubo di carbonio", ha affermato il chimico Jia-Shiang Chen. Chen è membro sia del CNM che di uno studioso post-dottorato presso il Center for Molecular Quantum Transduction presso la Northwestern University. I risultati dei test del team hanno rivelato tempi di coerenza record rispetto a quelli dei sistemi realizzati con altri mezzi: 10 microsecondi. Date le loro dimensioni ridotte, la piattaforma spin qubit del team può essere integrata più facilmente nei dispositivi quantistici e consente molti modi possibili per leggere le informazioni quantistiche. Inoltre, i tubi di carbonio sono molto flessibili e le loro vibrazioni possono essere utilizzate per memorizzare informazioni dal qubit. "È molto lontano dal nostro spin qubit in un nanotubo di carbonio alle tecnologie pratiche, ma questo è un grande primo passo in quella direzione", ha detto Ma.

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• Fonte: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62511.php