Le potenzialità degli elettroni a spin impigliato

Un gruppo del RIKEN per Emergent Materia Science, insieme a collaboratori di varie istituzioni giapponesi, ha prodotto con successo coppie di elettroni con spin impigliato e dimostrato, per la prima volta, che questi elettroni rimangono impigliati anche quando sono separati l'uno dall'altro su un chip.

Questa ricerca potrebbe contribuire alla creazione di reti quantistiche futuristiche che operano utilizzando teletrasporto quantistico, in modo tale da consentire a informazioni contenute nel quantum bits - qubit -, di essere condivisa tra molti elementi su chip, requisito fondamentale per scalare la potenza di un computer quantistico. La possibilità di creare coppie di elettroni impigliati non locali - noti come - su richiesta è stata a lungo un sogno.

"Abbiamo deciso di dimostrare che gli elettroni con spin impigliato, -dice Russell Deacon, che ha compiuto il lavoro- potrebbero essere prodotti in maniera affidabile. Finora, i ricercatori sono riusciti a creare fotoni impigliati, ma i fotoni sono estremamente stabili e non interagiscono. Elettroni, al contrario, sono profondamente influenzati dal loro ambiente. Abbiamo scelto di cercare di dimostrare che gli elettroni possono essere invischiati con la loro rotazione, proprietà che è relativamente stabile. "

Per eseguire l'impresa, Deacon e suoi collaboratori hanno iniziato il lavoro incessante di creare un piccolo dispositivo, di poche centinaia di nanometri. L'idea era di prendere una coppia di Cooper - una coppia di elettroni che permette all’elettricità di fluire liberamente in superconduttori - e farli, mentre passano attraverso un traforo - un fenomeno quantistico - cioè attraverso una giunzione tra due superconduttori che siano conduttori, passando attraverso due distinti "quantum dots" (punti quantistici letteralmente) - piccoli cristalli che hanno proprietà quantistiche. "Se riuscissimo a rilevare una corrente superconduttore, ciò significherebbe che gli elettroni, possono essere utilizzati come bit quantistici - i qubit, o bit usati nel campo dell'informatica quantistica - in quanto rimangono invischiati anche quando sono stati separati tra i punti quantici .Per confermare questa separazione abbiamo misurato una corrente superconduttore che si sviluppa quando si dividono e si ricombinano nel secondo cavo. "

I punti quantici, ciascuno di circa 100 nanometri, sono stati coltivati in posizioni casuali su un semiconduttore. Questo chip accuratamente esaminato con un microscopio a forza atomica per scoprire le coppie di punti che sono stati abbastanza vicini e quindi possano correttamente funzionare. “Abbiamo osservato migliaia di punti e identificato un centinaio che erano adatti. Da queste identificazioni abbiamo fatto una ventina di dispositivi. Di questi solo due hanno lavorato."

Misurando la corrente superconduttore, il team è stato in grado di dimostrare chiaramente che lo spin degli elettroni è rimasto impigliato mentre passava attraverso i punti quantici separati. "Da quando abbiamo dimostrato che gli elettroni rimangono impigliati anche quando separati,- spiega Deacon -, questo significa che ora abbiamo potuto usare un simile, anche se più complesso, dispositivo per preparare le coppie di elettroni impigliati, in grado di teletrasportarsi come stati qubit in un chip".

Secondo Seigo Tarucha, capo del laboratorio che ha condotto il lavoro. "Questa scoperta è molto interessante, perché potrebbe portare alla fine allo sviluppo di applicazioni come le reti quantistiche e il teletrasporto quantistico. Anche se è tecnicamente difficile da gestire, lo spin degli elettroni è una proprietà molto promettente per queste applicazioni, relativamente libera dall'ambiente e dura relativamente a lungo. Potrebbe essere combinato con fotoni, utilizzando gli elettroni con spin impigliato per creare fotoni che si sarebbero impigliati. Questo potrebbe consentire di creare grandi reti per condividere l'informazione quantistica in un modo ampiamente distribuito. "