I computer convenzionali memorizzano le informazioni in un po', un'unità logica fondamentale che può assumere un valore di 0 o 1. I computer quantistici si basano su bit quantistici, noto anche come "qubit, " come i loro mattoni fondamentali. I bit nei computer tradizionali codificano un singolo valore, uno 0 o un 1. Lo stato di un qubit, al contrario, può avere contemporaneamente un valore sia di 0 che di 1. Questa proprietà peculiare, una conseguenza delle leggi fondamentali della fisica quantistica, risultati nella drammatica complessità nei sistemi quantistici.

L'informatica quantistica è un campo nascente e in rapido sviluppo che promette di utilizzare questa complessità per risolvere problemi difficili da affrontare con i computer convenzionali. Una sfida chiave per l'informatica quantistica, però, è che richiede di far lavorare insieme un gran numero di qubit, il che è difficile da realizzare evitando interazioni con l'ambiente esterno che priverebbe i qubit delle loro proprietà quantistiche.

Nuova ricerca dal laboratorio di Oskar Painter, John G Braun Professore di Fisica Applicata e Fisica nella Divisione di Ingegneria e Scienze Applicate, esplora l'uso di metamateriali superconduttori per superare questa sfida.

I metamateriali sono appositamente progettati combinando più materiali componenti su una scala inferiore alla lunghezza d'onda della luce, dando loro la capacità di manipolare come le particelle di luce, o fotoni, comportarsi. I metamateriali possono essere usati per riflettere, giro, o focalizzare i raggi di luce in quasi tutti i modi desiderati. Un metamateriale può anche creare una banda di frequenza in cui la propagazione dei fotoni diventa del tutto vietata, un cosiddetto "bandgap fotonico".

Il team del Caltech ha usato un bandgap fotonico per intrappolare fotoni a microonde in un circuito quantistico superconduttore, creare una tecnologia promettente per la costruzione di futuri computer quantistici.

"In linea di principio, questo è un substrato scalabile e flessibile su cui costruire circuiti complessi per l'interconnessione di determinati tipi di qubit, "dice Pittore, capogruppo del gruppo che ha condotto la ricerca, che è stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura il 12 settembre. "Non solo si può giocare con la disposizione spaziale della connettività tra i qubit, ma si può anche progettare la connettività in modo che avvenga solo a determinate frequenze desiderate."

Painter e il suo team hanno creato un circuito quantistico costituito da pellicole sottili di un superconduttore, un materiale che trasmette corrente elettrica con poca o nessuna perdita di energia, tracciato su un microchip di silicio. Questi modelli superconduttori trasportano le microonde da una parte all'altra del microchip. Ciò che fa funzionare il sistema in un regime quantistico, però, è l'uso di una cosiddetta giunzione Josephson, che consiste in uno strato non conduttivo atomicamente sottile racchiuso tra due elettrodi superconduttori. La giunzione Josephson crea una sorgente di fotoni a microonde con due stati distinti e isolati, come la terra di un atomo e gli stati elettronici eccitati, che sono coinvolti nell'emissione di luce, o, nel linguaggio dell'informatica quantistica, un qubit.

"I circuiti quantistici superconduttori consentono di eseguire esperimenti fondamentali di elettrodinamica quantistica utilizzando un circuito elettrico a microonde che sembra possa essere stato strappato direttamente dal tuo cellulare, "Dice Painter. "Riteniamo che l'aumento di questi circuiti con metamateriali superconduttori possa consentire le future tecnologie di calcolo quantistico e favorire lo studio di sistemi quantistici più complessi che vanno oltre la nostra capacità di modellare utilizzando anche le più potenti simulazioni al computer classiche".

Il documento è intitolato "Metamateriali superconduttori per l'elettrodinamica quantistica delle guide d'onda".