Real-Time FPGA-Based Multi-Parameter Feedback Stabilization of a Silicon Double Quantum Dot

Immagina di cercare di bilanciare una pila di blocchi Jenga su un tavolo che vibra costantemente. Se il tavolo vibra troppo, la torre crolla. Ora, immagina che invece di blocchi di legno, tu stia cercando di bilanciare un singolo elettrone all'interno di una minuscola gabbia invisibile fatta di elettricità. Questo è il mondo del calcolo quantistico, specificamente l'uso dei "qubit di spin": particelle che agiscono come piccoli magneti per memorizzare informazioni. Il problema è che il mondo intorno a queste particelle è rumoroso. Cariche minuscole e invisibili nei materiali vicini oscillano e si spostano, creando un "ronzio" a bassa frequenza (noto come rumore $1/f$) che spinge l'elettrone fuori dal suo punto perfetto. Se l'elettrone deriva, il computer perde la sua memoria. Per costruire un computer quantistico utile, gli scienziati devono mantenere questi elettroni perfettamente fermi, anche mentre il mondo circostante trema. Hanno bisogno di un modo per percepire la deriva e spingere istantaneamente l'elettrone di nuovo al centro, più velocemente di quanto il rumore possa muoverlo.

Questo è esattamente ciò che i ricercatori della UCLA si sono posti l'obiettivo di fare. Hanno costruito un "pilota automatico" ad alta velocità per un doppio punto quantico di silicio, un dispositivo che intrappola due elettroni fianco a fianco. I tentativi precedenti di stabilizzare questi punti erano come cercare di guidare un'auto da corsa usando una mappa che si aggiorna una volta ogni pochi minuti; l'auto si sarebbe già schiantata nel tempo in cui la mappa cambia. Il team in questo articolo ha sostituito questa mappa lenta con un GPS super veloce in tempo reale. Utilizzando un chip speciale chiamato FPGA (Field-Programmable Gate Array) e una tecnica chiamata riflettometria RF (che ascolta la "voce" dell'elettrone usando onde radio invece di aspettare una lenta corrente elettrica), hanno creato un ciclo di feedback migliaia di volte più veloce rispetto al passato. Hanno scoperto che questo nuovo sistema può sopprimere il rumore fino a una frequenza di 5 kHz, silenziando efficacementamente il "ronzio" che di solito rovina l'esperimento. Questo non significa che abbiano ancora risolto il calcolo quantistico, ma dimostra che possiamo mantenere la casa dell'elettrone stabile abbastanza a lungo da poter potenzialmente eseguire calcoli complessi in futuro.

La torre Jenga su un tavolo che vibra

Pensa a un doppio punto quantico di silicio come a una casa molto delicata, a due stanze, costruita per gli elettroni. All'interno di questa casa, le pareti sono fatte di campi elettrici invisibili. Affinché la casa funzioni come un computer quantistico, gli elettroni devono rimanere in una configurazione molto specifica, come una perfetta torre Jenga. Ma il terreno sotto questa casa è instabile. Piccole cariche casuali nei materiali circostanti si spostano costantemente, creando un "rumore di carica" a bassa frequenza. Questo rumore è come una mano invisibile e lenta che continua a dare piccoli colpi alle pareti della casa, facendo derivare gli elettroni dai loro punti perfetti. Se derivano troppo, l'informazione quantistica che contengono viene rimescolata e persa.

Per risolvere questo problema, gli scienziati utilizzano una tecnica chiamata "stabilizzazione a feedback". È come avere un robot che controlla costantemente la posizione della torre Jenga e apporta piccoli aggiustamenti alle pareti per mantenerla in equilibrio. In passato, questo robot era lento. Controllava la torre, calcolava una correzione e poi la applicava, ma il processo richiedeva troppo tempo (circa 0,3 Hz, ovvero una volta ogni pochi secondi) e la torre si sarebbe già mossa significativamente prima che il robot potesse agire. I ricercatori in questo articolo volevano costruire un robot che potesse muoversi alla velocità del pensiero.

Il Pilota Automatico Super-Veloce

Il team, guidato da Johnathan Bryan, Tim J. Wilson e Hong-Wen Jiang, ha costruito un nuovo tipo di pilota automatico utilizzando un dispositivo chiamato OPX di Quantum Machines. Questo dispositivo contiene un chip potente (un FPGA) che può fare calcoli incredibilmente veloci. Invece di aspettare una lenta corrente elettrica per dire loro dove si trovano gli elettroni, hanno utilizzato un metodo chiamato riflettometria RF.

Immagina di essere in una stanza buia e di cercare di trovare un oggetto specifico. Invece di camminare verso di esso e toccarlo (il che è lento), lanci una palla contro di esso e ascolti l'eco. Se l'oggetto si muove, l'eco cambia. I ricercatori hanno fatto questo con le onde radio. Hanno fatto rimbalzare microonde sul punto quantico e hanno ascoltato l'"eco" (il segnale riflesso). Questo ha permesso loro di percepire la posizione degli elettroni quasi istantaneamente.

Il processo funziona come un gioco di "caldo e freddo", ma giocato a velocità fulminee:

1. Ascolta: Il sistema misura l' "eco" per vedere dove si trovano gli elettroni.
2. Spingi: Spinge delicatamente una delle pareti elettriche (una tensione di gate) di una quantità minuscola per vedere come cambia l'eco.
3. Calcola: Capisce in quale direzione spingere per riportare gli elettroni al centro.
4. Correggi: Regola istantaneamente la tensione per spingere gli elettroni di nuovo al centro.

Hanno fatto questo per due diverse "pareti" (due parametri) contemporaneamente, creando un ciclo di feedback a parametri multipli.

I Risultati: Silenziare il Ronzio

Il team ha testato il loro nuovo sistema introducendo una falsa scossa ritmica (una perturbazione sinusoidale) per vedere se il pilota automatico potesse fermarla. Hanno scoperto che il loro sistema era incredibilmente efficace.

• Velocità: Potevano eseguire un ciclo completo di misurazione, calcolo e correzione in soli 81,8 microsecondi (ovvero 0,0000818 secondi).
• Soppressione del Rumore: Il sistema ha ridotto con successo il rumore di 6 dB (una riduzione significativa del volume) per frequenze fino a 5 kHz.
• Confronto: I metodi precedenti che utilizzavano misurazioni di corrente lente potevano gestire solo il rumore fino a 0,3 Hz. Il nuovo metodo è circa 16.000 volte più veloce in termini di intervallo di frequenza che può gestire.

L'articolo sottolinea esplicitamente che, sebbene questo sia un grande miglioramento, non è ancora una bacchetta magica che risolve tutto. Il sistema è attualmente limitato dalla velocità con cui possono misurare il segnale. Se potessero rendere le misurazioni ancora più chiare (migliore rapporto segnale-rumore), potrebbero potenzialmente andare ancora più veloci. Il limite teorico per la loro configurazione attuale è di circa 6,1 kHz, basato sulle leggi della fisica note come il teorema di campionamento di Nyquist-Shannon.

Perché questo è importante

Gli autori sottolineano con cautela che non possono eseguire un computer quantistico mentre questo feedback è attivo. L'atto di regolare costantemente le tensioni per stabilizzare il punto quantico distruggerebbe lo stato quantistico delicato necessario per il calcolo. Invece, questo sistema agisce come un "freno a mano" o un "stabilizzatore" che mantiene il dispositivo in uno stato perfetto e pronto. Una volta che il dispositivo è stabilizzato, il feedback può essere messo in pausa e il calcolo quantistico può avvenire.

Questo lavoro suggerisce che ci stiamo avvicinando al giorno in cui potremo costruire grandi array di punti quantici che rimangano stabili per lunghi periodi. Addomesticando il rumore a bassa frequenza che ha afflitto questi sistemi per anni, questo ciclo di feedback ad alta velocità è un passo crucialo verso la creazione di computer quantistici che non si limitino a funzionare per un breve istante, ma che possano eseguire calcoli complessi in modo affidabile. L'articolo conclude che il passo successivo sarà testare come questo approccio "intercalato" (stabilizzare, calcolare, poi stabilizzare di nuovo) influenzi la qualità effettiva dell'informazione quantistica, ma per ora, hanno dimostrato che il "pilota automatico" funziona, e funziona velocemente.