Quantum computing in arrivo se gli elettroni ballano

Un gruppo di ricercatori della Purdue University è riuscito a creare un materiale ultrapuro in grado di catturare nuovi stati della materia e avere applicazioni nel quantum computing ad alta velocità. Il materiale, arseniuro di gallio, è stato usato per osservare gli stati nei quali gli elettroni non sono più assoggettati alle leggi della fisica della singola particella, ma sono governati dalle loro reciproche interazioni.

Secondo il professor Michael Manfra questo traguardo - a cui sono arrivati pochissimi altri ricercatori - offre nuovi spunti nel settore della fisica fondamentale. "Questi stati esotici vanno oltre i modelli standard di fisica allo stato solido e sul punto di equilibrio tra ciò che capiamo e non comprendiamo". "Questi stati non esistono nella maggior parte dei materiali standard, ma solo in speciali condizioni all'interno dei cristalli semiconduttori ultrapuri di arseniuro di gallio".

Michael Manfra, a sinistra, e Gabor Csathy al suo fianco. Manfra tiene in mano un wafer di arseniuro di gallio sul quale il suo team di ricerca fa crescere cristalli semiconduttori di arseniuro di gallio per osservare nuovi stati fondamentali che potrebbero avere applicazione nel quantum computing ad alta velocità

Il quantum computing è basato sull'uso di un comportamento quantico meccanico di elettroni per creare un nuovo modo di archiviare e processare le informazioni più rapido, potente ed efficiente rispetto a oggi. Si basa sulla capacità di queste particelle di essere messe in uno stato correlato nel quale la variazione applicata a una particella è immediatamente riflessa dalle altre. Controllando questi processi si potrebbero realizzare soluzioni di calcolo parallele per eseguire operazioni che sono impossibili su un computer tradizionale. Insomma, si potrebbe dare vita al cosiddetto computer quantistico.

"Se riuscissimo a sfruttare questo comportamento degli elettroni in un semiconduttore, potremmo avere un approccio valido per realizzare un computer quantico", ha dichiarato Manfra. "Questo lavoro è allo stadio embrionale e sebbene sia importante per il calcolo quantistico, siamo ancora molto lontani da quel traguardo. La cosa più importante è avere la possibilità d'intravedere inspiegabili fenomeni fisici e nuove particelle".

I ricercatori hanno progettato e costruito un sistema chiamato "high-mobility gallium-arsenide molecular beam epitaxy system". Questo dispositivo realizza materiali semiconduttori ultrapuri con una precisione atomica. Il materiale usato è composto da un reticolo di atomi di gallio e arsenico perfettamente allineati che possono catturare elettroni su un piano bidimensionale, eliminando la loro capacità di muoversi in alto e in basso e limitare il loro movimento dalla parte frontale a quella posteriore e da un lato all'altro.

"Fondamentalmente catturiamo elettroni all'interno di pozzi quantici microscopici e li forziamo a interagire l'uno con l'altro. Il materiale deve essere davvero puro per ottenere questo risultato. Ogni impurità presente porta gli elettroni a disperdersi e rovinare il fragile stato di correlazione".

Gli elettroni inoltre devono essere raffreddati a temperature estremamente basse e deve essere applicato un campo magnetico per avere le condizioni desiderate per raggiungere lo stato di correlazione.

Gabor Csathy, un altro professore che ha partecipato allo studio, è stato in grado di raffreddare il materiale e gli elettroni a 5 millikelvin, all'incirca lo zero assoluto, usando un'apparecchiatura specifica.

"A temperatura ambiente gli elettroni sono conosciuti per comportarsi come palle su un tavolino da biliardo, rimbalzando sui lati e toccandosi l'un l'altro, obbedendo alle classiche leggi della fisica. Quando la temperatura viene abbassata, gli elettroni si calmano e diventano consapevoli della presenza di elettroni confinanti. In questo modo diventa possibile un movimento collettivo degli elettroni e questo è stato descritto dalle leggi della meccanica quantistica".

Gli elettroni compiono una "danza complessa" per provare a trovare la migliore disposizione che gli consente di raggiungere il livello di energia minimo ed eventualmente formare nuovi modelli, o stati fondamentali.

Csathy è riuscito a misurare il movimento degli elettroni. Il metro standard per rappresentare la qualità del semiconduttore è la mobilità dell'elettrone misurata in centimetri al quadrato per volt-secondo. Il gruppo ha recentemente rilevato una mobilità dell'elettrone di 22 milioni di centimetri quadrati per volt-secondo, il che rende il team della Purdue University uno dei pochi team ad aver raggiunto questo traguardo.