Gli scienziati dell'Istituto di ingegneria molecolare dell'Università di Chicago hanno compiuto due passi avanti nella ricerca dello sviluppo della tecnologia quantistica. In uno studio, hanno intrecciato due bit quantici usando il suono per la prima volta; in un altro, hanno costruito il collegamento a lungo raggio di altissima qualità tra due qubit fino ad oggi. Il lavoro ci avvicina allo sfruttamento della tecnologia quantistica per creare computer più potenti, sensori ultrasensibili e trasmissioni sicure.

"Entrambi questi sono passi avanti trasformativi verso le comunicazioni quantistiche, " ha detto il co-autore Andrew Cleland, il John A. MacLean Sr. Professore di ingegneria molecolare presso l'Argonne National Laboratory affiliato all'IME e all'UChicago. Leader nello sviluppo della tecnologia quantistica superconduttiva, ha guidato la squadra che ha costruito la prima "macchina quantistica, " dimostrando le prestazioni quantistiche in un risonatore meccanico. "Uno di questi esperimenti mostra la precisione e l'accuratezza che ora possiamo ottenere, e l'altro dimostra una nuova fondamentale abilità per questi qubit."

Scienziati e ingegneri vedono un enorme potenziale nella tecnologia quantistica, un campo che utilizza le strane proprietà delle particelle più piccole in natura per manipolare e trasmettere informazioni. Per esempio, a determinate condizioni, due particelle possono essere "intrecciate":i loro destini sono collegati anche quando non sono fisicamente collegate. Le particelle impiglianti ti permettono di fare tutti i tipi di cose interessanti, come trasmettere informazioni istantaneamente nello spazio o creare reti inattaccabili.

Ma la tecnologia ha una lunga strada da percorrere, letteralmente:una grande sfida è inviare informazioni quantistiche a qualsiasi distanza sostanziale, lungo cavi o fibre.

In uno studio pubblicato il 22 aprile in Fisica della natura , Il laboratorio di Cleland è stato in grado di costruire un sistema di qubit superconduttori che scambiavano informazioni quantistiche lungo un binario lungo quasi un metro con una fedeltà estremamente forte, con prestazioni molto più elevate precedentemente dimostrate.

"L'accoppiamento era così forte che possiamo dimostrare un fenomeno quantistico chiamato 'quantum ping-pong'—l'invio e la cattura di singoli fotoni mentre tornano indietro, " disse Youpeng Zhong, uno studente laureato nel gruppo di Cleland e il primo autore dell'articolo.

Una delle scoperte degli scienziati è stata la costruzione del dispositivo giusto per inviare il segnale. La chiave era modellare correttamente gli impulsi, a forma di arco, come aprire e chiudere lentamente una valvola, alla giusta velocità. Questo metodo di "strozzatura" delle informazioni quantistiche li ha aiutati a raggiungere una tale chiarezza che il sistema potrebbe superare una misurazione standard dell'entanglement quantistico, chiamato test di Bell. Questo è il primo per i qubit superconduttori, e potrebbe essere utile per costruire computer quantistici e per comunicazioni quantistiche.

L'altro studio, pubblicato il 26 aprile in Scienza , mostra un modo per intrappolare due qubit superconduttori usando il suono.

Una sfida per scienziati e ingegneri mentre fanno avanzare la tecnologia quantistica è quella di essere in grado di tradurre i segnali quantistici da un mezzo all'altro. Per esempio, la luce a microonde è perfetta per trasportare segnali quantistici all'interno dei chip. "Ma non puoi inviare informazioni quantistiche attraverso l'aria nelle microonde; il segnale viene semplicemente sommerso, " ha detto Cleland.

Il team ha costruito un sistema in grado di tradurre il linguaggio a microonde dei qubit in suono acustico e farlo viaggiare attraverso il chip, utilizzando un ricevitore all'altra estremità che potrebbe eseguire la traduzione inversa.

Ha richiesto un po' di ingegneria creativa:"I microonde e l'acustica non sono amici, quindi abbiamo dovuto separarli su due materiali diversi e impilarli uno sopra l'altro, " ha detto Audrey Bienfait, un ricercatore post-dottorato e primo autore dello studio. "Ma ora che abbiamo dimostrato che è possibile, apre alcune interessanti nuove possibilità per i sensori quantistici".