Un team internazionale di ricercatori guidati dall'Università di Bristol ha dimostrato che la luce può essere utilizzata per implementare un processore quantistico multifunzionale.

Questo piccolo dispositivo può essere utilizzato come strumento scientifico per eseguire una vasta gamma di esperimenti di informazione quantistica, mentre allo stesso tempo mostra come i computer quantistici completamente funzionali potrebbero essere progettati da processi di fabbricazione su larga scala.

Lo hanno fatto progettando un chip di silicio che guida singole particelle di luce, chiamati fotoni in tracce ottiche chiamate guide d'onda per codificare i cosiddetti bit quantistici di informazioni chiamati "qubit".

Lo sforzo internazionale sta crescendo per sviluppare computer quantistici come il prossimo passo nella potenza di calcolo, per aumentare i tipi di compiti che i computer possono risolvere per noi.

Nei computer desktop di oggi, supercomputer e smartphone, i bit assumono la forma di un "1" o di uno "0" e sono l'elemento fondamentale su cui si basano tutti i computer attualmente utilizzati nella società.

I computer quantistici sono invece basati su "qubit" che possono trovarsi in una sovrapposizione degli stati 0 e 1. Più qubit possono anche essere collegati in un modo speciale chiamato entanglement quantistico. Queste due proprietà fisiche quantistiche forniscono l'alimentazione ai computer quantistici.

Una sfida è realizzare processori per computer quantistici che possano essere riprogrammati per eseguire compiti diversi, proprio come oggi abbiamo computer che possono essere riprogrammati per eseguire diverse applicazioni.

Una seconda sfida è come realizzare un computer quantistico in modo che le sue numerose parti possano essere realizzate con una qualità molto elevata e, in definitiva, a basso costo.

Il team di Bristol ha utilizzato chip fotonici di silicio come un modo per provare a costruire componenti di calcolo quantistico su larga scala e il risultato di oggi, pubblicato sulla rivista Fotonica della natura , dimostra che è possibile controllare completamente due qubit di informazioni all'interno di un singolo chip integrato. Ciò significa che qualsiasi compito che può essere raggiunto con due qubit, può essere programmato e realizzato con il dispositivo.

Autore principale, Dott. Xiaogang Qiang, che ha intrapreso il lavoro mentre studiava per un dottorato di ricerca. presso l'Università di Bristol, e ora lavora alla National University of Defense Technology in Cina, ha dichiarato:"Quello che abbiamo dimostrato è una macchina programmabile che può svolgere molti compiti diversi.

"È un processore molto primitivo, perché funziona solo su due qubit, il che significa che c'è ancora molta strada prima che possiamo fare calcoli utili con questa tecnologia.

"Ma ciò che è eccitante è che le diverse proprietà della fotonica del silicio che possono essere utilizzate per realizzare un computer quantistico sono state combinate insieme in un unico dispositivo.

"Questo è semplicemente troppo complicato da implementare fisicamente con la luce utilizzando approcci precedenti".

Lo sforzo di fotonica integrata è iniziato nel 2008 ed è stata una risposta alla crescente preoccupazione che i singoli specchi e gli elementi ottici siano semplicemente troppo grandi e instabili per realizzare i grandi circuiti complessi che sarà costruito un computer quantistico.

Dottor Jonathan Matthews, un membro del team di ricerca con sede presso i laboratori di tecnologia di ingegneria quantistica (QET) presso l'Università di Bristol, ha aggiunto:"Dobbiamo pensare a come realizzare computer quantistici con una tecnologia scalabile, che include la tecnologia che sappiamo può essere costruita con incredibile precisione su una scala enorme.

"Pensiamo che il silicio sia un materiale promettente per farlo, in parte a causa di tutti gli investimenti già effettuati nello sviluppo del silicio per le industrie della microelettronica e della fotonica. E i tipi di dispositivi sviluppati a Bristol, come quello presentato oggi, stanno mostrando quanto bene possano essere progettati i dispositivi quantistici.

"Una conseguenza della crescente sofisticatezza e funzionalità di questi dispositivi è che stanno diventando uno strumento di ricerca a sé stante:abbiamo utilizzato questo dispositivo per implementare diversi esperimenti di informazioni quantistiche utilizzando quasi 100, 000 diverse impostazioni riprogrammate."

Lo studio è pubblicato su Fotonica della natura .