Gli scienziati hanno sviluppato un chip fotonico topologico per elaborare le informazioni quantistiche, promettendo un'opzione più solida per i computer quantistici scalabili.

Il gruppo di ricerca, guidato dal Dott. Alberto Peruzzo dell'Università RMIT, ha dimostrato per la prima volta che l'informazione quantistica può essere codificata, elaborati e trasferiti a distanza con circuiti topologici sul chip. La ricerca è pubblicata su Progressi scientifici .

La svolta potrebbe portare allo sviluppo di nuovi materiali, computer di nuova generazione e una comprensione più profonda della scienza fondamentale.

In collaborazione con scienziati del Politecnico di Milano e dell'ETH di Zurigo, i ricercatori hanno utilizzato la fotonica topologica, un campo in rapida crescita che mira a studiare la fisica delle fasi topologiche della materia in un nuovo contesto ottico, per fabbricare un chip con un "divisore del raggio" che crea una porta quantistica fotonica di alta precisione.

"Prevediamo che il nuovo design del chip aprirà la strada allo studio degli effetti quantistici nei materiali topologici e a una nuova area di elaborazione quantistica topologicamente robusta nella tecnologia fotonica integrata, "dice Peruzzo, Capo ricercatore presso l'ARC Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) e direttore, Laboratorio di fotonica quantistica, RMIT.

"La fotonica topologica ha il vantaggio di non richiedere forti campi magnetici, e presentano una coerenza intrinsecamente elevata, funzionamento a temperatura ambiente e facile manipolazione", afferma Peruzzo.

"Questi sono requisiti essenziali per l'espansione dei computer quantistici".

Replicando il noto esperimento Hong-Ou-Mandel (HOM), che richiede due fotoni, i costituenti ultimi della luce, e li interferiscono secondo le leggi della meccanica quantistica:il team è stato in grado di utilizzare il chip fotonico per dimostrare, per la prima volta, che gli stati topologici possono subire interferenza quantistica ad alta fedeltà.

L'interferenza HOM è al centro del calcolo quantistico ottico, che è molto sensibile agli errori. Gli stati topologicamente protetti potrebbero aggiungere robustezza alla comunicazione quantistica, diminuzione del rumore e dei difetti prevalenti nella tecnologia quantistica. Ciò è particolarmente interessante per l'elaborazione delle informazioni quantistiche ottiche.

"La ricerca precedente si era concentrata sulla fotonica topologica utilizzando la luce laser 'classica', che si comporta come un'onda classica. Qui usiamo singoli fotoni, che si comportano secondo la meccanica quantistica", afferma l'autore principale Jean-Luc Tambasco, dottorato di ricerca studente presso RMIT.

La dimostrazione dell'interferenza quantistica ad alta fedeltà è un precursore della trasmissione di dati accurati utilizzando singoli fotoni per le comunicazioni quantistiche, un componente vitale di una rete quantistica globale.

"Questo lavoro interseca i due fiorenti campi della tecnologia quantistica e degli isolanti topologici e può portare allo sviluppo di nuovi materiali, computer di nuova generazione e scienza fondamentale" afferma Peruzzo.

La ricerca fa parte del programma Photonic Quantum Processor presso CQC2T. Il Centro di eccellenza sta sviluppando approcci paralleli utilizzando processori ottici e al silicio nella corsa allo sviluppo del primo sistema di calcolo quantistico.

I ricercatori australiani di CQC2T hanno stabilito una leadership globale nell'informazione quantistica. Avendo sviluppato tecnologie uniche per manipolare materia e luce a livello di singoli atomi e fotoni, la squadra ha dimostrato la massima fedeltà, qubit con tempo di coerenza più lungo allo stato solido; la memoria quantistica più longeva allo stato solido; e la capacità di eseguire algoritmi su piccola scala su qubit fotonici.