Superconducting circuits host two-level systems with lifetimes exceeding one second

Nella ricerca di macchine in grado di risolvere problemi che vanno oltre le capacità degli odierni computer, gli scienziati si stanno rivolgendo a una forma di materia strana e delicata: i circuiti superconduttori. Si tratta di anelli di metallo che, quando raffreddati a temperature vicine allo zero assoluto, permettono all'elettricità di fluire senza alcuna resistenza. All'interno di questi circuiti, i ricercatori creano atomi artificiali chiamati qubit, che fungono da unità fondamentali di informazione per i computer quantistici. A differenza dei bit di un computer standard, che sono o zero o uno, un qubit può esistere in una combinazione di entrambi gli stati simultaneamente. Tuttavia, questi qubit sono incredibilmente fragili. Sono costantemente bombardati dal loro ambiente e anche la minima interazione può causare la perdita delle loro informazioni, un processo noto come decoerenza. Per anni, la comunità scientifica ha lavorato instancabilmente per schermare questi qubit dal loro ambiente, sperando di estendere il tempo in cui possono mantenere il loro stato quantistico. La convinzione prevalente era che, man mano che i qubit diventavano più stabili, il rumore di fondo del loro ambiente sarebbe diventato abbastanza silenzioso da poter essere ignorato.

Un team di ricercatori del Karlsruhe Institute of Technology in Germania ha ora sfidato questa ipotesi, scoprendo che l'ambiente di un circuito superconduttore è molto più persistente di quanto chiunque si aspettasse. Utilizzando un tipo specializzato di circuito superconduttore noto come transmon, realizzato in metallo tantalio e raffreddato a temperature estreme, gli scienziati hanno cercato fonti nascoste di rumore che potessero interferire con i loro qubit. Cercavano i "sistemi a due livelli", ovvero minuscoli difetti nel materiale che possono agire come piccoli interruttori, oscillando tra due stati e sottraendo energia al qubit. Sebbene questi difetti siano noti da tempo, i ricercatori hanno scoperto qualcosa di straordinario: una classe specifica di questi difetti che può trattenere l'energia per più di un secondo. Si tratta di un tempo sbalorditivo nel mondo quantistico, dove i qubit perdono tipicamente il loro stato in una frazione di millisecondo.

Per trovare questi elusivi difetti, i ricercatori hanno impiegato una tecnica chiamata spettroscopia di correlazione del salto quantico. Immaginate di ascoltare una singola nota suonata da un violino in una stanza silenziosa. Se la nota si interrompe improvvisamente, potreste chiedervi dove sia finita il suono. In questo esperimento, il qubit è il violino e i ricercatori osservano il momento in cui smette di vibrare, o "salta giù" a uno stato di energia inferiore. Di solito, quando un qubit perde energia, quell'energia scompare per sempre nell'ambiente circostante. Tuttavia, il team ha osservato che talvolta, dopo che il qubit ha perso un fotone di energia, quell'energia ritorna al qubit dopo un breve ritardo. Questo ritorno di energia ha indicato che l'ambiente non aveva semplicemente assorbito l'energia, ma l'aveva temporaneamente immagazzinata in uno stato a lunga durata prima di restituirla. Tracciando attentamente questi eventi, i ricercatori sono stati in grado di isolare tre difetti specifici che trattenevano l'energia per durate che vanno da centinaia di millisecondi a oltre un secondo.

I ricercatori hanno poi progettato un nuovo metodo per misurare esattamente quanto tempo questi difetti potessero trattenere la loro energia. Hanno utilizzato una strategia "pump-probe" (pompa-sonda), che consisteva prima nell'eccitare il difetto per riempirlo di energia e poi nell'aspettare per vedere quanto tempo occorreva affinché l'energia fuoriuscisse. Regolando la frequenza del qubit per renderla leggermente diversa dalla frequenza del difetto, potevano controllare quanto fortemente i due interagissero. Quando l'interazione era debole, hanno scoperto che i difetti trattenevano la loro energia per periodi notevolmente lunghi. Infatti, per due dei difetti studiati, l'energia è rimasta immagazzinata per più di un secondo. Questo è di ordini di grandezza superiore alla durata del qubit stesso, che tipicamente dura solo circa cento microsecondi. Il fatto che questi difetti possano immagazzinare l'energia per così tanto tempo suggerisce che siano eccezionalmente isolati dal resto del mondo, rendendoli incredibilmente difficili da rilevare con gli strumenti di misurazione standard.

Lo studio ha fornito anche indizi su cosa potrebbero essere effettivamente questi difetti. I ricercatori hanno confrontato le loro misurazioni con un modello standard utilizzato per descrivere come gli atomi o le molecole si muovano tra due posizioni in un materiale solido. Questo modello suggerisce che i difetti che si muovono molto lentamente e interagiscono molto debolmente con il loro ambiente debbano avere tempi di vita molto lunghi. I dati dell'esperimento corrispondono perfettamente a questa previsione, suggerendo che questi difetti a lunga durata siano probabilmente minuscole imperfezioni strutturali nel materiale che effettuano il tunneling, o si spostano, tra due posizioni molto lentamente. Sebbene i ricercatori non possano ancora dire esattamente quale sia la struttura chimica o fisica di questi difetti, le prove portano lontano da altre possibilità, come impurità magnetiche o particelle intrappolate, che si comporterebbero diversamente. L'interazione debole tra il qubit e questi difetti, misurata nell'ordine di poche migliaia di cicli al secondo, è coerente con l'idea che si tratti di difetti posizionali descritti da questo modello standard.

Questa scoperta cambia il modo in cui gli scienziati vedono l'ambiente dei computer quantistici. In precedenza, si pensava che, man mano che i qubit diventavano migliori, il rumore residuo sarebbe stato a breve durata e facile da gestire. Ora, sembra che il rumore più persistente provenga da questi difetti a lunga durata che possono immagazzinare l'energia per secondi. Ciò ha importanti implicazioni per il futuro della correzione degli errori quantistici, ovvero il metodo utilizzato per correggere gli errori nei calcoli quantistici. Se l'ambiente ricorda lo stato del qubit per molto tempo, può creare schemi complessi di errori che sono più difficili da prevedere e correggere. Tuttavia, i ricercatori vedono anche un potenziale lato positivo. Poiché questi difetti possono trattenere l'informazione quantistica per un tempo così lungo, potrebbero un giorno essere utilizzati come una forma di memoria all'interno di un circuito quantistico. I ricercatori suggeriscono che, man mano che gli scienziati continueranno a migliorare la qualità dei loro qubit, incontreranno probabilmente ancora più di questi difetti a lunga durata, proprio come un telescopio con lenti migliori rivela stelle più fioche nel cielo notturno.

Il lavoro presentato in questo articolo stabilisce un nuovo quadro per comprendere il mondo microscopico all'interno dei circuiti superconduttori. Dimostra che questi circuiti possono agire come sonde sensibili per rilevare gradi di libertà microscopici che durano per secondi, una scala temporale precedentemente ritenuta impossibile in questo contesto. Sebbene la natura esatta di questi difetti rimanga oggetto di ulteriori indagini, la capacità di misurarne i tempi di vita e la forza di accoppiamento fornisce un passo cruciale verso il loro controllo. Che questi sistemi a lunga durata siano visti come un disturbo da eliminare o come una risorsa da sfruttare, la loro esistenza altera fondamentalmente il panorama della tecnologia quantistica. I ricercatori hanno aperto una porta verso uno strato nascosto dell'ambiente quantistico, uno che è silenzioso, persistente e pieno di potenziale sia per la sfida che per la scoperta.