Nature, pubblicati due lavori su sensori quantistici e fononi

Sono stati pubblicati su due prestigiose riviste internazionali (Nature Materials e Nature Communications) i risultati di altrettanti studi che aprono nuove prospettive applicative nei campi della sensoristica e della quantum technology. Entrambe le ricerche vedono coinvolti ricercatori INSTM.

MISURATI I FONONI CHE “DISTURBANO” I QUANTUM BIT

È stato pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature Communications un lavoro che riporta per la prima volta la misura sperimentale delle vibrazioni cristalline e molecolari che “disturbano” i quantum bit, le unità fondamentali dei quantum computer.

La ricerca nasce all’interno dei progetti “SUMO – Scaling Up quantum computation with MOlecular spins” della call europea QuantERA 2017 e del Progetto PRIN 2015 “QCNaMos - Quantum Coherence in Nanostructures of Molecular Spin Qubits” ed è frutto dell’impegno di un team internazionale guidato da Stefano Carretta (UdR INSTM di Parma) e da Roberta Sessoli (UdR INSTM di Firenze), in cui sono presenti l’ISIS facility del Rutherford Appleton Laboratory di Oxford e il Trinity College di Dublino

I quantum computer e l’informatica quantistica non sono più un lontano futuro. I primi prototipi sono già stati realizzati e gli sforzi dei ricercatori sono ora rivolti alla ricerca di nuovi e sempre più performanti dispositivi per realizzare bit quantistico (quantum bit o qubit) ovvero l'unità di informazione quantistica. Come il suo analogo classico, il qubit può trovarsi in due stati possibili, lo stato “0” e lo stato “1”, nei quali è codificabile l’informazione in codice binario. L’eccezionalità di un qubit deriva dalla sua natura quantistica. Questa rende possibile uno stato sovrapposizione in cui il qubit è contemporaneamente sia nello stato “0” sia nello stato “1”, aprendo dunque alla possibilità di ampliare enormemente le capacità computazionali dei futuri calcolatori quantistici.

I nanomagneti molecolari contengono ioni metallici legati a molecole organiche e sono tra i candidati più promettenti per implementare algoritmi di computazione quantistica. Grazie alla loro versatilità è infatti possibile ottenere diversi sistemi con le caratteristiche di un qubit: due livelli magnetici per codificare gli stati “0” ed “1” e lunghi tempi di coerenza. Quest’ultima caratteristica garantisce al qubit di mantenere il proprio stato di sovrapposizione coerente per il tempo necessario all’implementazione di un algoritmo ed ha rappresentato finora il requisito più problematico nella ingegnerizzazione di qubit molecolari. Tra le molecole attualmente più promettenti spiccano quelle contenenti ioni vanadile VO2+, che possiedono lunghi tempi di coerenza anche alla temperatura ambiente.

Le criticità riguardano le interazioni degli spin degli ioni magnetici con le vibrazioni molecolari e cristalline indotte dalla temperatura che causano distorsioni della struttura molecolare (dette fononi) “disturbano” lo stato quantistico del qubit, causando la perdita di coerenza e di conseguenza dell’informazione, compromettendo quindi il calcolo quantistico.

Nel lavoro pubblicato su Nature Communications, i ricercatori hanno misurato per la prima volta i fononi del prototipo di qubit molecolare VO(acac)2 utilizzando lo scattering anelastico di neutroni in 4 dimensioni (4D-INS) sullo spettrometro LET della ISIS facility e avanzate tecniche di calcolo di Density Functional Theory. L’esperimento ha permesso anche di capire, tramite il confronto con le simulazioni teoriche, come ciascun modo vibrazionale distorce la molecola VO(acac)2 ed è stato possibile stimare i parametri di accoppiamento spin-fonone che quantificano l’efficacia di ciascun modo vibrazionale nell’indurre la decoerenza del qubit molecolare. I dati così ottenuti rappresentano l’imprescindibile punto di partenza per lo studio dei meccanismi di rilassamento che causano la perdita di coerenza dei qubit e aprono nuove prospettive per il design di nuovi qubit più performanti.

Ma le implicazioni di questi risultati non si fermano qui. Alcuni nanomagneti molecolari possono infatti avere le caratteristiche tipiche dei bit classici e permettere la realizzazione di memorie magnetiche ad alta densità grazie alle loro dimensioni nanoscopiche. Anche in questo caso, l’interazione degli spin molecolari con i fononi rappresenta la fonte principale di “disturbo” del bit, che deve essere in grado di mantenere a lungo l’informazione codificata.

Fonte: Unveiling phonons in a molecular qubit with four-dimensional inelastic neutron scattering and density functional theory, Nature Communications

UNA NUOVA NANOSTRUTTURA CON PROPRIETÀ QUANTISTICHE DI FRONTIERA

La nanostruttura è composta da molecole magnetiche e superconduttori ed è stata sviluppata nel Laboratorio di Magnetismo Molecolare (LAMM) dell’Unità di Ricerca INSTM dell’Università di Firenze guidato da Roberta Sessoli. La ricerca, come già detto, è stata pubblicata su Nature Materials in collaborazione con una rete internazionale di cui fanno parte anche i ricercatori dell’Università di Modena e Reggio Emilia.

Nella nuova nanostruttura, lo spin degli elettroni di una molecola è utilizzato come sensore quantistico in grado di interagire in modo controllato con materiali superconduttivi, come ad esempio il piombo che diventa un superconduttore se raffreddato a temperature al di sotto dei 7,2 Kelvin.

Lo spin elettronico è una delle proprietà fondamentali della materia a livello subatomico ed è alla base delle proprietà magnetiche dei materiali, fra le quali anche la capacità di archiviare e manipolare informazioni chiarisce su Unifimagazine Giulia Serrano, prima firmataria dell’articolo - A temperature così basse le proprietà delle molecole magnetiche in diretto contatto con la superficie del superconduttore sono influenzate da questa: il campo magnetico esterno è annullato e la dinamica dello spin molecolare è accelerata. Studiando queste alterazioni possiamo capire meglio come funzionano i superconduttori ma anche sfruttarli per controllare più efficacemente il comportamento quantistico delle molecole che vorremmo utilizzare come nuovi quantum bit”.

Sebbene si tratti ancora di ricerca di base commenta Roberta Sessoli, sempre sul magazine dell’Ateneo – si tratta di un punto di partenza che aprirà la strada a potenziali applicazioni nella sensoristica e nelle tecnologie per l’informazione con l’obiettivo di superare gli attuali limiti dei computer quantistici”.

Fonte: Quantum dynamics of a single molecule magnet on superconducting Pb(111), Nature Materials

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