Nuove strade per le tecnologie quantistiche: controllo ottico degli spin nucleari nelle molecole

La risonanza magnetica nucleare (NMR) è un metodo analitico consolidato per analizzare materiali e molecole. Spazia dalle analisi chimiche all'elaborazione dell'informazione quantistica. In un recente studio, i ricercatori del KIT hanno analizzato un cristallo molecolare contenente ioni di europio. Questi ioni hanno transizioni ottiche particolarmente strette che consentono l'accesso diretto agli stati di spin nucleare. Utilizzando la luce laser, sono riusciti prima a convertire gli spin nucleari in stati definiti e poi a leggerli otticamente.

Oltre all'indirizzamento ottico, i ricercatori hanno utilizzato campi ad alta frequenza per controllare gli spin e proteggerli dalle interferenze dell'ambiente. In questo modo hanno ottenuto una coerenza quantistica degli spin nucleari con una durata fino a due millisecondi, un intervallo di tempo in cui un sistema quantistico mantiene uno stato quantomeccanico definito con precisione.

Gli spin nucleari come portatori stabili di informazioni quantistiche

"I risultati dimostrano che i materiali molecolari possono essere una piattaforma promettente per i futuri dispositivi quantistici", afferma il professor David Hunger dell'Istituto di Fisica del KIT. "È particolarmente vantaggioso il fatto di poter trattare gli spin nucleari senza interferenze con gli spin degli elettroni. Ciò consentirà di realizzare in futuro registri di qubit particolarmente stabili e densamente impacchettati".

I cristalli molecolari studiati sono stati sintetizzati dai ricercatori dell'Istituto dei materiali e delle tecnologie quantistiche e dell'Istituto di nanotecnologia del KIT nel gruppo di ricerca del professor Mario Ruben e sono stati ampiamente caratterizzati per quanto riguarda la loro idoneità come piattaforma quantistica.

Molecole personalizzate per qubit di precisione atomica

A lungo termine, gli spin nucleari indirizzabili otticamente nelle molecole aprono nuove prospettive per lo sviluppo di computer quantistici scalabili. I sistemi molecolari possono essere personalizzati chimicamente e potrebbero quindi consentire qubit di precisione atomica. La risonanza magnetica nucleare rilevata otticamente (ODNMR) consente inoltre di realizzare nuovi metodi NMR ad alta risoluzione che in futuro permetteranno di studiare nel dettaglio materiali complessi.

I risultati della ricerca sottolineano quindi il grande potenziale dei sistemi molecolari per le future tecnologie quantistiche e rappresentano un passo importante verso sistemi di elaborazione quantistica collegabili in rete otticamente.