Manipolazione coerente quantistica e lettura di stati di vortice superconduttivi

Un nuovo modo di immagazzinare informazione quantistica

I computer quantistici promettono di risolvere problemi ben oltre le capacità delle macchine odierne, ma i loro mattoni fondamentali—i qubit—sono fragili e difficili da progettare. Questo studio rivela un inatteso nuovo tipo di qubit nascosto all’interno dei materiali superconduttivi stessi: minuscoli vortici di campo magnetico che possono conservare l’informazione quantistica per tempi sorprendentemente lunghi. Trasformare ciò che una volta era visto come un fastidio in una risorsa utile potrebbe aprire nuove strade verso tecnologie quantistiche più semplici e resistenti.

Quando i superconduttori lasciano entrare il magnetismo

I superconduttori sono famosi per espellere i campi magnetici dal loro interno, un fenomeno che è alla base di tecnologie che vanno dagli scanner MRI ai rivelatori sensibili. Tuttavia, quando il campo magnetico applicato diventa sufficientemente forte, può penetrare il superconduttore in fasci discreti e filamentosi noti come vortici. Nei materiali ordinari, il centro di ciascun vortice si comporta come un metallo normale, causando attrito e perdite di energia ogni volta che il vortice si muove. Per questo motivo i vortici sono stati a lungo considerati elementi disturbanti che degradano le prestazioni dei dispositivi superconduttivi e dei qubit. La svolta chiave esplorata qui è che in un superconduttore fortemente disordinato e granulare—composto da molti piccoli grani di alluminio separati da sottili barriere isolanti—l’interno di un vortice può rimanere “gapped”, cioè non dissipa facilmente energia. In queste condizioni, i vortici possono smettere di comportarsi come oggetti classici e iniziare a mostrare un comportamento pienamente quantistico.

Trasformare i vortici in sistemi quantistici a due stati

I ricercatori hanno fabbricato un sottile risonatore a microonde in alluminio granulare, lo hanno raffreddato a pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto e hanno applicato un piccolo campo magnetico durante il raffreddamento. Questa procedura intrappola vortici nel dispositivo in posizioni specifiche. Variando poi il campo magnetico e sondando la risposta a microonde del risonatore, il gruppo ha osservato chiare firme che indicano un forte accoppiamento del risonatore con un distinto sistema a due livelli sintonizzabile—essenzialmente un oggetto quantistico con solo uno stato fondamentale e uno eccitato—collegato alla presenza dei vortici. Hanno potuto indurre transizioni tra questi due stati con brevi impulsi a microonde, proprio come si manipolerebbe un qubit superconduttivo convenzionale, e hanno potuto leggere lo stato in modo non distruttivo, noto come misura quantistica non demolitrice.

Vortici quantistici a lunga vita

Misure risolte nel tempo hanno rivelato che questi stati basati sui vortici mantengono la loro energia per centinaia di microsecondi, rivaleggiando con i tempi di vita di alcuni qubit accuratamente progettati utilizzati negli esperimenti di punta odierni. La coerenza di fase—the proprietà che consente l’esistenza di sovrapposizioni quantistiche—è durata per microsecondi e può essere estesa usando tecniche di echo che cancellano le lente derive ambientali. Studi statistici su molti cicli di raffreddamento hanno indicato che questi “qubit a vortice” sono stabili per ore o settimane, ma la loro configurazione microscopica può cambiare da un raffreddamento all’altro, riflettendo disposizioni diverse dei vortici nel paesaggio granulare.

Un paesaggio di trappole e tunneling quantistico

Per spiegare come un vortice possa comportarsi come un sistema quantistico a due stati, gli autori hanno modellato l’energia che esso sperimenta all’interno della stretta striscia superconduttiva. Poiché il film è granulare e disordinato, esistono numerosi piccoli siti di “pinning” che intrappolano localmente i vortici. Quando il campo magnetico viene regolato, la profondità relativa di queste trappole cambia, creando effettivamente un potenziale a doppia buca: due posizioni vicine a bassa energia separate da una barriera. Vicino a un particolare campo “sweet spot”, le due buche diventano quasi uguali in energia e il vortice può effettuare tunneling quantistico tra di esse anziché spostarsi in modo classico. In quel regime, il vortice non è più confinato a un lato o all’altro; invece, il suo stato è una sovrapposizione di essere contemporaneamente in entrambe le trappole, formando il sistema a due livelli che si accoppia al risonatore.

Da difetti indesiderati a strumenti quantistici utili

Dimostrando che i vortici intrappolati in un superconduttore granulare possono comportarsi come qubit controllabili e a lunga vita, questo lavoro trasforma un problema di lunga data dei dispositivi superconduttivi in un’opportunità. Se l’interpretazione di base—vortici che effettuano tunneling tra siti di pinning vicini in una rete disordinata simile a giunzioni—verrà confermata da futuri esperimenti di imaging e spettroscopia, qubit basati su vortici analoghi potrebbero essere realizzati in un’ampia gamma di materiali. Poiché emergono direttamente dalla struttura del superconduttore, tali stati potrebbero servire sia come sonde integrate del disordine microscopico sia come elementi di una nuova piattaforma, basata sui vortici, per l’elaborazione dell’informazione quantistica e il sensing ultrasensibile.

Citazione: Nambisan, A., Günzler, S., Rieger, D. et al. Quantum coherent manipulation and readout of superconducting vortex states. Nature 653, 63–67 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10441-7

Parole chiave: qubit superconduttivi, alluminio granulare, vortici magnetici, coerenza quantistica, materiali quantistici