La ricerca della McKelvey School of Engineering della Washington University di St. Louis ha trovato un pezzo mancante nel puzzle dell'informatica quantistica ottica.

Jung Tsung Shen, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e dei Sistemi, ha sviluppato un deterministico, porta logica quantistica a due bit ad alta fedeltà che sfrutta una nuova forma di luce. Questa nuova porta logica è di ordini di grandezza più efficiente della tecnologia attuale.

"Nel caso ideale, la fedeltà può arrivare fino al 97%, "Ha detto Shen.

La sua ricerca è stata pubblicata nel maggio 2021 sulla rivista Revisione fisica A .

Il potenziale dei computer quantistici è legato alle proprietà insolite della sovrapposizione:la capacità di un sistema quantistico di contenere molte proprietà distinte, o Stati, allo stesso tempo - ed entanglement - due particelle che agiscono come se fossero correlate in maniera non classica, pur essendo fisicamente lontani l'uno dall'altro.

Dove la tensione determina il valore di un bit (un 1 o uno 0) in un computer classico, i ricercatori usano spesso i singoli elettroni come "qubit, " l'equivalente quantistico. Gli elettroni hanno diversi tratti che si adattano bene al compito:sono facilmente manipolati da un campo elettrico o magnetico e interagiscono tra loro. L'interazione è un vantaggio quando hai bisogno di due bit per essere impigliati, lasciando che la natura selvaggia manifesto della meccanica quantistica.

Ma anche la loro propensione a interagire è un problema. Tutto, dai campi magnetici vaganti alle linee elettriche, può influenzare gli elettroni, rendendoli difficili da controllare veramente.

Negli ultimi due decenni, però, alcuni scienziati hanno cercato di usare i fotoni come qubit invece degli elettroni. "Se i computer avranno un impatto reale, dobbiamo esaminare la creazione della piattaforma utilizzando la luce, "Ha detto Shen.

I fotoni non hanno carica, che possono portare a problemi opposti:non interagiscono con l'ambiente come gli elettroni, ma non interagiscono nemmeno tra loro. È stato anche difficile progettare e creare interazioni inter-fotone ad hoc (efficaci). O almeno così andava il pensiero tradizionale.

Meno di un decennio fa, gli scienziati che lavorano su questo problema hanno scoperto che, anche se non erano impigliati mentre entravano in un cancello logico, l'atto di misurare i due fotoni quando sono usciti li ha portati a comportarsi come se lo fossero stati. Le caratteristiche uniche della misurazione sono un'altra manifestazione selvaggia della meccanica quantistica.

"La meccanica quantistica non è difficile, ma è pieno di sorprese, "Ha detto Shen.

La scoperta della misurazione è stata rivoluzionaria, ma non del tutto rivoluzionaria. Questo perché per ogni 1, 000, 000 fotoni, solo una coppia è rimasta impigliata. Da allora i ricercatori hanno avuto più successo, ma, Shen ha detto, "Non è ancora abbastanza buono per un computer, " che deve eseguire da milioni a miliardi di operazioni al secondo.

Shen è stato in grado di costruire una porta logica quantistica a due bit con tale efficienza grazie alla scoperta di una nuova classe di stati fotonici quantistici:dimeri fotonici, fotoni entangled sia nello spazio che nella frequenza. La sua previsione della loro esistenza è stata convalidata sperimentalmente nel 2013, e da allora ha trovato applicazioni per questa nuova forma di luce.

Quando un singolo fotone entra in una porta logica, non succede nulla di notevole:entra ed esce. Ma quando ci sono due fotoni, "In quel momento avevamo previsto che i due avrebbero potuto creare un nuovo stato, dimeri fotonici. Si scopre che questo nuovo stato è cruciale".

Matematicamente, ci sono molti modi per progettare una porta logica per operazioni a due bit. Questi diversi design sono chiamati equivalenti. La specifica porta logica progettata da Shen e dal suo gruppo di ricerca è la porta a fase controllata (o porta Z controllata). La funzione principale del gate a fase controllata è che i due fotoni che escono siano nello stato negativo dei due fotoni che sono entrati.

"Nei circuiti classici, non c'è segno meno, "Ha detto Shen. "Ma nell'informatica quantistica, si scopre che il segno meno esiste ed è cruciale."

Quando due fotoni indipendenti (che rappresentano due qubit ottici) entrano nella porta logica, "Il design della porta logica è tale che i due fotoni possono formare un dimero fotonico, "Shen ha detto. "Si scopre che il nuovo stato fotonico quantistico è cruciale in quanto consente allo stato di uscita di avere il segno corretto che è essenziale per le operazioni logiche ottiche".

Shen ha lavorato con l'Università del Michigan per testare il suo design, che è una porta logica a stato solido, che può funzionare in condizioni moderate. Finora, lui dice, i risultati sembrano positivi.

Shen dice che questo risultato, mentre sconcerta la maggior parte, è chiaro come il giorno a quelli che sanno.

"È come un puzzle, " ha detto. "Può essere complicato da fare, ma una volta fatto, solo guardandolo, saprai che è corretto."