Ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’Istituto nazionale di fisica nucleare è stato testato il funzionamento di un circuito superconduttore in regime quantistico in un ambiente a bassissima radioattività naturale.

Lo studio, pubblicato su Nature Communications, ha dimostrato che le prestazioni del componente quantistico migliorano così in modo significativo.

I circuiti superconduttori sono una delle tecnologie più competitive nella corsa per realizzare un computer quantistico. Nonostante i numerosi vantaggi, fra cui la semplicità di disegno e fabbricazione di un sistema di calcolo estremamente complesso, i qubit superconduttori hanno un tallone di Achille: sono in grado di preservare il loro stato quantistico per tempi molto brevi perché il loro funzionamento è disturbato da alcuni fattori tra cui  la radioattività naturale.   I raggi cosmici, ma anche la radioattività naturale, presente in piccolissime quantità in tutti i materiali che ci circondano,   possono interagire con i qubit limitandone seriamente  le prestazioni.

Nel lavoro pubblicato su Nature Communications, un gruppo di ricercatori dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e del Karlsruhe Institute of Technology (Germania) ha testato il funzionamento  di un circuito superconduttore in regime quantistico posizionato all’interno dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) che, grazie alla schermatura naturale offerta da 1400 metri di roccia, consentono di ridurre il flusso dei raggi cosmici di circa un milione di volte rispetto ai laboratori di superficie offrendo un contesto unico al mondo per le sue caratteristiche di radiopurezza. I ricercatori hanno così dimostrato che proteggendo un qubit superconduttore dagli effetti della radioattività naturale, le sue prestazioni migliorano in modo significativo.

Lo studio è stato sviluppato nell’ambito del progetto DEMETRA,  finanziato con un finanziamento  dell’INFN dedicato ai giovani ricercatori neoassunti, con l’obiettivo di comprendere ed eliminare una delle sorgenti di disturbo per i qubit: la radioattività naturale.

“I circuiti superconduttori sono una delle tecnologie di punta per lo sviluppo di un processore quantistico. Oggi la sfida principale è capire come preservare il più a lungo possibile il comportamento quantistico del circuito. Il nostro studio dimostra che si può ottenere un miglioramento significativo portando il qubit in un ambiente a bassissima radioattività” sottolinea Laura Cardani, ricercatrice INFN e responsabile di Demetra.

“Questo lavoro, originato da una idea tanto semplice quanto brillante, ha unito giovani ricercatori di settori e nazionalità diversi, che hanno trovato nei LNGS l’infrastruttura ideale per dimostrare, con misure di precisione,  questa nuova teoria”  commenta Stefano Pirro, Ricercatore dei LNGS e responsabile scientifico  dell’Infrastruttura criogenica che ha ospitato l’esperimento.

“La radioattività induce errori simultanei nei circuiti appartenenti allo stesso chip. Questo è particolarmente deleterio per i processori quantistici, perché tutti gli algoritmi di correzione degli errori si basano sul principio che, in presenza di un errore in uno dei qubit, gli altri possano comunque preservare l’informazione”  aggiunge Francesco Valenti, dottorando nel gruppo di Ioan Pop presso il Karlsruhe Institute of Technology .

I Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), per dimensioni e ricchezza della strumentazione scientifica, costituiscono il centro di ricerca sotterraneo per la fisica delle particelle più grande e importante del mondo. Situati sotto mille e quattrocento metri di roccia dal Monte Aquila, le strutture sotterranee offrono un’infrastruttura dalle caratteristiche uniche costituita da tre enormi sale sperimentali. All’interno dei Laboratori gli apparati sperimentali sono protetti dalla radiazione cosmica, la copertura rocciosa che sovrasta i Laboratori consente infatti di ridurre il flusso dei raggi cosmici di un fattore un milione, e  la radioattività naturale in galleria è inferiore rispetto ad altri laboratori sotterranei, in quanto la roccia dolomitica, di tipo sedimentario, di cui è composto il massiccio del Gran Sasso contiene meno Uranio e Torio (i principali elementi radioattivi naturali) rispetto ad altre rocce ignee.

Grazie a questo risultato e alla connotazione   unica al mondo che caratterizza  i LNGS in termini di infrastruttura criogenica e di ambiente a bassissima radioattività naturale,  uno dei progetti di punta per lo sviluppo di un nuovo computer quantistico, SQMS (Superconducting quantum materials and systems center),  coordinato dal Fermilab di Chicago e finanziato dal Department of Energy (DoE) degli Stati Uniti e di cui l’INFN è l’unico partner non statunitense, ha deciso di investire nello sviluppo di una struttura ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso proprio per testare i suoi dispositivi.