I transistor sono minuscoli interruttori che costituiscono la base dell'informatica moderna; miliardi di loro instradano segnali elettrici all'interno di uno smartphone, ad esempio.

I computer quantistici avranno bisogno di hardware analogo per manipolare le informazioni quantistiche. Ma i vincoli di progettazione per questa nuova tecnologia sono rigorosi, e i processori più avanzati di oggi non possono essere riutilizzati come dispositivi quantistici. Questo perché i vettori di informazioni quantistiche, qubit doppiati, devono seguire regole diverse stabilite dalla fisica quantistica.

Gli scienziati possono usare molti tipi di particelle quantistiche come qubit, anche i fotoni che compongono la luce. I fotoni hanno aggiunto attrattiva perché possono trasportare rapidamente informazioni su lunghe distanze, e sono compatibili con i chip fabbricati. Però, realizzare un transistor quantistico innescato dalla luce è stato impegnativo perché richiede che i fotoni interagiscano tra loro, qualcosa che normalmente non accade da solo.

Ora, ricercatori della A. James Clark School of Engineering e Joint Quantum Institute (JQI) dell'Università del Maryland, guidati dal professore di ingegneria elettrica e informatica, Compagno di JQI, e l'affiliato Edo Waks dell'Istituto per la ricerca in elettronica e fisica applicata, hanno superato questo ostacolo e hanno dimostrato il primo transistor a fotone singolo che utilizza un chip a semiconduttore. Il dispositivo, descritto nel numero del 6 luglio di Scienza , è compatto; circa un milione di questi nuovi transistor potrebbe stare all'interno di un singolo granello di sale. È anche veloce e in grado di elaborare 10 miliardi di qubit fotonici ogni secondo.

"Usando il nostro transistor, dovremmo essere in grado di eseguire porte quantistiche tra i fotoni, " dice Waks. "Il software in esecuzione su un computer quantistico utilizzerebbe una serie di tali operazioni per raggiungere una velocità esponenziale per determinati problemi computazionali.

Il chip fotonico è costituito da un semiconduttore con numerosi fori al suo interno, facendolo sembrare molto simile a un nido d'ape. La luce che entra nel chip rimbalza e rimane intrappolata nel disegno dei fori; un piccolo cristallo chiamato punto quantico si trova all'interno dell'area in cui l'intensità della luce è più forte. Analogamente alla memoria del computer convenzionale, il punto memorizza le informazioni sui fotoni quando entrano nel dispositivo. Il punto può attingere efficacemente a quella memoria per mediare le interazioni dei fotoni, il che significa che le azioni di un fotone influenzano gli altri che in seguito arrivano al chip.

"In un transistor a fotone singolo la memoria del punto quantico deve persistere abbastanza a lungo da interagire con ogni qubit fotonico, "dice Shuo Sun, autore principale del nuovo lavoro e ricercatore post-dottorato presso la Stanford University che era uno studente laureato in UMD al momento della ricerca. "Ciò consente a un singolo fotone di commutare un flusso più grande di fotoni, che è essenziale affinché il nostro dispositivo sia considerato un transistor."

Per verificare che il chip funzionasse come un transistor, i ricercatori hanno esaminato come il dispositivo ha risposto a deboli impulsi di luce che di solito contenevano solo un fotone. In un ambiente normale, una luce così fioca potrebbe a malapena registrarsi. Però, in questo dispositivo, un singolo fotone rimane intrappolato per molto tempo, registrando la sua presenza nel punto vicino.

Il team ha osservato che un singolo fotone potrebbe, interagendo con il punto, controllare la trasmissione di un secondo impulso luminoso attraverso il dispositivo. Il primo impulso di luce agisce come una chiave, aprendo la porta per far entrare il secondo fotone nel chip. Se il primo impulso non conteneva fotoni, il punto ha bloccato il passaggio dei fotoni successivi. Questo comportamento è simile a un transistor convenzionale in cui una piccola tensione controlla il passaggio della corrente attraverso i suoi terminali. Qui, i ricercatori hanno sostituito con successo la tensione con un singolo fotone e hanno dimostrato che il loro transistor quantico potrebbe commutare un impulso luminoso contenente circa 30 fotoni prima che la memoria del punto quantico si esaurisse.

Waks afferma che il suo team ha dovuto testare diversi aspetti delle prestazioni del dispositivo prima di far funzionare il transistor. "Fino ad ora, avevamo i singoli componenti necessari per realizzare un singolo transistor a fotoni, ma qui abbiamo combinato tutti i passaggi in un unico chip, " lui dice.

Sun afferma che con miglioramenti ingegneristici realistici il loro approccio potrebbe consentire il collegamento di molti transistor quantistici a luce. Il team spera che così velocemente, dispositivi altamente connessi alla fine porteranno a computer quantistici compatti che elaborano un gran numero di qubit fotonici.