I ricercatori di ETH Zurich hanno sviluppato una nuova tecnica capace di utilizzare un singolo ione intrappolato per creare mappe tridimensionali estremamente dettagliate dei campi elettromagnetici presenti sopra la superficie di un chip. Il metodo, definito come una nuova frontiera nella diagnostica quantistica, permette di individuare segnali elettrici e magnetici estremamente deboli che possono compromettere il funzionamento dei dispositivi quantistici.
La scoperta potrebbe avere un ruolo importante nello sviluppo dei futuri computer quantistici e dei sensori quantistici, offrendo agli ingegneri uno strumento per identificare materiali, processi produttivi e soluzioni progettuali in grado di ridurre le interferenze che disturbano gli stati quantici.
La tecnica del singolo ione per individuare le interferenze nei chip
Uno dei principali ostacoli nello sviluppo dei computer quantistici basati su ioni intrappolati riguarda il rumore elettromagnetico generato dagli stessi chip. Anche variazioni estremamente piccole dei campi elettrici possono alterare gli stati quantici utilizzati per eseguire i calcoli, riducendo precisione e affidabilità del sistema.
Il gruppo di ricerca di ETH Zurich ha cercato una soluzione proprio a questo problema, sviluppando una tecnica che sfrutta un singolo ione di berillio intrappolato all’interno di una particolare configurazione chiamata trappola di Penning su chip.
A differenza delle tradizionali trappole ioniche, che utilizzano campi a radiofrequenza oscillanti, questo sistema si basa su campi elettrici e magnetici statici. Tale caratteristica consente di muovere lo ione con maggiore libertà nello spazio tridimensionale e, allo stesso tempo, rende più semplice rilevare campi oscillanti molto deboli.
Il ricercatore dottorando Tobias Sägesser ha spiegato che il team aveva già sviluppato la capacità di spostare liberamente gli ioni in tre dimensioni. Il nuovo lavoro sfrutta questa possibilità per effettuare una vera e propria scansione dello spazio sopra il chip e costruire una mappa dettagliata delle perturbazioni elettromagnetiche.
Come funziona la mappatura tridimensionale con uno ione intrappolato
Il processo inizia con il raffreddamento tramite laser di un singolo ione di berillio, portandolo allo stato di minima energia di movimento consentito dalla meccanica quantistica. Successivamente, i ricercatori possono spostarlo in diversi punti sopra il chip modificando le tensioni applicate agli elettrodi della trappola.
Il sistema è in grado di analizzare un’area di circa 200 per 200 micrometri, con misurazioni effettuate a diverse altezze dalla superficie, comprese tra 50 e 450 micrometri.
Quando lo ione raggiunge un determinato punto, i deboli campi elettrici prodotti dal chip ne modificano gradualmente il movimento all’interno della trappola. Attraverso ulteriori impulsi laser, gli scienziati possono osservare quanto è cambiato lo stato quantico dello ione e calcolare così l’intensità del campo circostante.
Secondo Sägesser, il sistema ha raggiunto la misurazione più sensibile mai ottenuta per un campo elettrico oscillante all’interno di una trappola ionica su chip. La tecnologia è riuscita a rilevare un segnale di appena 10 nanovolt per metro in un secondo. Per confronto, il campo elettromagnetico generato da un telefono cellulare rimane circa 10.000 volte più forte anche a diversi chilometri di distanza.
I ricercatori hanno inoltre misurato i campi elettrici statici osservando gli spostamenti dello ione dalla sua posizione di equilibrio e hanno determinato i campi magnetici analizzando le variazioni nei livelli energetici dell’atomo.
Una nuova strada per costruire computer quantistici più affidabili
Secondo il professor Jonathan Home, gli scienziati cercano da oltre trent’anni di comprendere le origini del rumore dei campi elettrici vicino ai chip quantistici. La nuova tecnica sviluppata da ETH Zurich offre ora un metodo più preciso per confrontare le misurazioni tridimensionali con i modelli teorici.
Questo potrebbe permettere di individuare con maggiore facilità le cause specifiche delle interferenze, superando i limiti delle analisi indirette utilizzate in passato.
Un ulteriore vantaggio della trappola di Penning riguarda la possibilità di scollegarla temporaneamente dalle fonti di tensione esterne. In questo modo vengono ridotte le influenze provenienti dall’ambiente circostante, rendendo gli esperimenti più accurati.
La tecnologia potrebbe diventare uno strumento fondamentale per testare i materiali destinati ai chip quantistici del futuro. Gli ingegneri potranno confrontare diversi rivestimenti superficiali e metodi di produzione per individuare le soluzioni capaci di generare meno rumore elettrico.
L’obiettivo finale è migliorare la stabilità dei dispositivi quantistici e accelerare lo sviluppo di computer e sensori più potenti, affidabili e pronti per applicazioni sempre più avanzate.
Fonte: Interesting Engineering
