Towards quantum error correction with two-body gates for quantum registers based on nitrogen-vacancy centers in diamond

Nella ricerca di una macchina capace di risolvere problemi oltre la portata degli odierni supercomputer, gli scienziati stanno guardando ai più piccoli blocchi costruttivi della natura: i singoli atomi e le particelle al loro interno. Questi minuscoli sistemi, noti come qubit, possono esistere in più stati contemporaneamente, offrendo un potenziale salto nella potenza di calcolo. Tuttavia, questi stati fragili sono facilmente disturbati dal minimo tocco di calore o vibrazione provenienti dal loro ambiente, causando la scomparsa delle informazioni che contengono prima che un calcolo possa essere completato. Per superare questo ostacolo, i ricercatori stanno esplorando un tipo specifico di difetto presente nei diamanti, dove un atomo di carbonio mancante è sostituito da un atomo di azoto. Questo "centro di vacanza di azoto" funge da ancora stabile per l'informazione quantistica, circondato da atomi di carbonio vicini che possiedono i propri spin magnetici. Questi spin circostanti possono servire come unità di memoria aggiuntive, creando un piccolo registro quantistico. La sfida consiste nel connettere queste unità senza disturbare l'informazione delicata che esse contengono, richiedendo un metodo per eseguire operazioni precise che siano abbastanza veloci da terminare prima che l'ambiente rovini i dati, ma abbastanza delicate da evitare l'introduzione di nuovi errori.

Un team di ricercatori dell'Università di Ulm ha sviluppato un nuovo modo per gestire questo delicato equilibrio, creando un metodo per eseguire connessioni di alta qualità tra il difetto centrale del diamante e i suoi atomi di carbonio vicini. Nel loro lavoro, si sono concentrati su un tipo specifico di operazione chiamata porta a due corpi (two-body gate), che permette allo spin elettronico centrale di interagire con uno spin nucleare mirato ignorando gli altri nelle vicinanze. La difficoltà in questo compito risiede nel fatto che gli atomi di carbonio nel diamante sono così vicini tra loro che le loro firme magnetiche si sovrappongono, rendendo difficile isolarne uno solo con cui lavorare. I metodi tradizionali per isolare un singolo atomo richiedono lunghe sequenze di impulsi di controllo, ma più lunga è la sequenza, maggiore è la probabilità che il sistema perda il proprio stato quantistico a causa del rumore ambientale. I ricercatori hanno trovato un modo per accorciare queste sequenze senza sacrificare l'accuratezza utilizzando una tecnica chiamata disaccoppiamento dinamico adattivo (adaptive dynamical decoupling). Questo approccio prevede la regolazione attenta della temporizzazione e della spaziatura degli impulsi di microonde per dare forma all'interazione, filtrando efficacemente i segnali indesiderati e affinando la focalizzazione sull'atomo specifico che si desidera controllare.

Il team ha dimostrato che, sintonizzando queste sequenze di impulsi, era possibile trovare un "punto ottimale" temporale in cui l'operazione è sia veloce che altamente accurata. Hanno dimostrato che è possibile raggiungere un livello di precisione tale che la probabilità di errore sia inferiore a un caso su mille, una soglia necessaria per un calcolo quantistico affidabile. Ciò è stato ottenuto sfruttando il fatto che certi errori nel sistema si annullano naturalmente a momenti specifici nel tempo. Scegliendo l'istante esatto in cui interrompere l'operazione, i ricercatori sono riusciti a eliminare questi errori senza dover eseguire la sequenza per una durata eccessivamente lunga. Questo metodo permette loro di aggirare il consueto compromesso per cui operazioni più veloci sono meno accurate, fornendo un modo per eseguire i passaggi necessari per il calcolo quantistico con una velocità che mantiene il sistema al sicuro dalla decoerenza.

Per dimostrare che queste porte ottimizzate siano utili per applicazioni reali, i ricercatori le hanno utilizzate per costruire un sistema di correzione degli errori di base. In questa configurazione, il difetto centrale del diamante e due spin di carbonio vicini sono stati disposti per proteggere un singolo pezzo di informazione quantistica da un tipo specifico di corruzione noto come errore di fase. Questo tipo di errore è simile a uno slittamento sottile nel tempo di un orologio che causa lo sbandamento del percorso dell'informazione. Il team ha creato un protocollo in cui l'informazione è codificata attraverso i tre spin, permettendo al sistema di rilevare se si è verificato uno slittamento e di correggerlo automaticamente. Le loro simulazioni hanno mostrato che, anche con le imperfezioni intrinseche nei segnali di controllo del mondo reale, questo sistema poteva recuperare con successo l'informazione originale più del 98,5 percento delle volte, anche quando il tasso di errore era relativamente alto. Questo risultato è rimasto valido anche tenendo conto del rilassamento naturale dello spin elettronico, un processo in cui il sistema perde lentamente energia verso l'ambiente circostante, che può accadere anche a temperature fino a 77 Kelvin.

La significatività di questo lavoro si estende oltre il successo immediato del codice di correzione degli errori. I ricercatori hanno fornito uno strumento analitico chiaro che permette agli scienziati di determinare la temporizzazione ottimale per queste operazioni senza dover eseguire innumerevoli esperimenti dispendiosi in termini di tempo per testare ogni possibilità. Ciò è cruciale man mano che i sistemi quantistici diventano più grandi, perché testare manualmente ogni parametro per un sistema con molti atomi sarebbe impossibile. Utilizzando il loro metodo per prevedere i parametri ottimali della sequenza, i ricercatori possono progettare registri quantistici più grandi e complessi con fiducia. L'articolo nota inoltre che, sebbene il loro approccio attuale utilizzi schemi di impulsi fissi, i miglioramenti futuri potrebbero prevedere la variazione fluida della forza dell'interazione nel tempo, il che potrebbe offrire prestazioni ancora migliori in ambienti affollati dove molti atomi sono impacchettati strettamente. In definitiva, questo lavoro offre una via pratica per la costruzione di computer quantistici robusti basati su difetti del diamante, trasformando una possibilità teorica in una tangibile realtà ingegneristica.