Coherent oscillations in weakly anharmonic NbSe2 qubit

La ricerca di macchine capaci di pensare e calcolare in modi impossibili per i computer odierni si basa su un'unità di informazione minuscola e fragile chiamata qubit. A differenza dei bit di un computer standard, che sono o zero o uno, un qubit può esistere in uno stato delicato di entrambi contemporaneamente, ma solo se viene mantenuto perfettamente isolato dal mondo rumoroso e caotico circostante. Per ottenere questo, gli scienziati utilizzano spesso circuiti superconduttori, che sono anelli elettrici capaci di trasportare corrente senza alcuna resistenza, ma solo quando vengono raffreddati a temperature vicine allo zero assoluto. Il cuore di questi circuiti è una giunzione speciale che funge da guardiano, permettendo al qubit di comportarsi come un oscillatore quantistico. Per anni, i ricercatori hanno costruito queste giunzioni utilizzando l'alluminio, un materiale con un processo di fabbricazione ben noto. Tuttavia, l'alluminio ha dei limiti; è incline a difetti microscopici e fatica a funzionare in campi magnetici intensi, il che impedisce agli scienziati di utilizzare questi potenti strumenti quantistici per certi tipi di indagine cosmica, come la ricerca di particelle invisibili che potrebbero costituire la materia oscura.

Per superare queste barriere, un team di ricercatori si è rivolto a una diversa classe di materiali noti come solidi di van der Waals. Immaginate questi come pile di fogli ultra-sottili, come un mazzo di carte, dove gli strati possono essere separati e impilati in nuovi modi con precisione atomica. Questi materiali offrono una struttura interna più pulita e perfetta rispetto all'alluminio, potenzialmente schermando il qubit dai difetti che causano la perdita del suo stato quantistico. Sebbene gli scienziati siano già riusciti a realizzare qubit utilizzando il grafene, un singolo strato di carbonio, non sono ancora riusciti a creare un qubit funzionante da altri candidati promettenti di questa famiglia. In un nuovo studio, i ricercatori hanno costruito e testato con successo un qubit utilizzando il diselenuro di niobio, un materiale che non è solo un superconduttore, ma è anche straordinariamente resistente ai campi magnetici. Questo traguardo segna la prima volta che un qubit viene realizzato con questo specifico materiale, aprendo la porta a dispositivi quantistici più robusti che potrebbero operare in ambienti in cui l'alluminio fallirebbe.

I ricercatori hanno costruito il loro dispositivo prendendo due minuscoli scaglie di diselenuro di niobio, ciascuna spessa solo circa dieci o quindici nanometri, e sovrapponendole con cura per creare una giunzione nel punto in cui i due strati si incontrano. Hanno posizionato questa delicata giunzione all'interno di una scatola di alluminio cava, che funge da risonatore per aiutare a controllare e leggere lo stato del qubit. Per garantire che la giunzione funzionasse correttamente, l'hanno collegata a grandi pad di alluminio e hanno circondato l'intera configurazione con filtri per bloccare il calore disperso e le radiazioni. L'esperimento si è svolto in un laboratorio specializzato dove la temperatura è stata portata a circa venti millikelvin, una frazione di grado sopra lo zero assoluto, per garantire che il materiale rimanesse superconduttore. Inviando impulsi di microonde nella scatola, il team ha potuto sondare il comportamento della giunzione e vedere se agiva come un oscillatore quantistico.

Ciò che hanno trovato è stato un dispositivo che si comportava esattamente come dovrebbe comportarsi un oscillatore debolmente anarmonico, il che significa che poteva conservare l'informazione quantistica resistendo al rumore che di solito la distrugge. Quando i ricercatori hanno aumentato la potenza dei segnali inviati nel dispositivo, la risonanza della cavità è cambiata in un modo che indicava che il materiale si stava comportando come un oscillatore di tipo "softening" (ammorbidente), un tipo specifico di comportamento non lineare. Sorprendentemente, il dispositivo è rimasto stabile anche quando i ricercatori hanno introdotto una quantità significativa di rumore termico, equivalente a cinque o dieci fotoni extra di energia termica all'interno della cavità. Questo livello di robustezza è di gran lunga superiore a quanto visto in altri qubit realizzati con materiali simili. Inoltre, il team ha dimostrato che, regolando la potenza del segnale di input, potevano cambiare il comportamento dell'oscillatore da "softening" a "hardening" (indurente), cambiando efficacementmente il segno della sua non linearità. Questa capacità di sintonizzare le proprietà fondamentali del dispositivo suggerisce un alto grado di controllo sul sistema quantistico.

Il test più critico per ogni qubit è quanto tempo può mantenere il proprio stato quantistico prima di perdere la coerenza, una proprietà misurata da un valore chiamato tempo di rilassamento. In questo esperimento, il qubit di diselenuro di niobio ha mantenuto il suo stato per 6,5 microsecondi, una durata che è circa cento volte superiore ai migliori risultati precedentemente ottenuti con i qubit a base di grafene. Questa estensione della durata è probabilmente dovuta all'alta qualità cristallina del diselenuro di niobio, che minimizza i difetti interni che di solito interrompono gli stati quantistici, combinata con la capacità del materiale di resistere a correnti più elevate. Il team ha anche osservato chiare oscillazioni ritmiche nello stato del qubit, note come oscillazioni di Rabi, che hanno confermato che il dispositivo poteva essere manipolato con precisione. Sebbene non siano stati in grado di misurare il tempo di decoerenza completo a causa della lunghezza degli impulsi di controllo richiesti, il solo tempo di rilassamento rappresenta un enorme salto in avanti per questa classe di materiali.

Questo lavoro serve come potente dimostrazione che i materiali di van der Waals possono essere integrati con successo nelle tecnologie quantistiche, offrendo una via verso dispositivi più durevoli e versatili rispetto agli attuali sistemi basati sull'alluminio. La capacità del diselenuro di niobio di funzionare in forti campi magnetici è particolarmente significativa, poiché suggerisce che questi qubit potrebbero eventualmente essere utilizzati in esperimenti per rilevare la materia oscura, un compito che richiede di posizionare sensori quantistici direttamente all'interno di potenti magneti dove i tradizionali qubit di alluminio smetterebbero di funzionare. Sebbene l'attuale dispositivo presenti una piccola quantità di non linearità, che limita la facilità con cui può essere utilizzato per certi tipi di calcoli, i ricercatori osservano che questo parametro può essere perfezionato in progetti futuri regolando la dimensione della giunzione o utilizzando tecniche di fabbricazione più precise. Dimostrando che un qubit può essere costruito con questo materiale e può operare con un'alta coerenza, lo studio fornisce una solida base per la prossima generazione di sensori e computer quantistici, colmando il divario tra materiali esotici e applicazioni quantistiche pratiche.