Scienziati in Australia hanno dimostrato per la prima volta la protezione di stati correlati tra fotoni accoppiati, pacchetti di energia luminosa, utilizzando l'intrigante concetto fisico di topologia. Questa scoperta sperimentale apre un percorso per costruire un nuovo tipo di bit quantistico, gli elementi costitutivi dei computer quantistici.

La ricerca, sviluppato in stretta collaborazione con i colleghi israeliani, è pubblicato oggi sulla prestigiosa rivista, Scienza , un riconoscimento dell'importanza fondamentale di questo lavoro.

"Possiamo ora proporre un percorso per costruire stati entangled robusti per porte logiche utilizzando coppie protette di fotoni, ", ha affermato l'autore principale, il dott. Andrea Blanco-Redondo del Nano Institute dell'Università di Sydney.

Le porte logiche sono gli interruttori necessari per far funzionare gli algoritmi scritti per i computer quantistici. Gli interruttori computazionali classici sono in semplici forme binarie di zero o uno. Gli interruttori quantistici esistono in uno stato di "sovrapposizione" che combina zero e uno.

Proteggere le informazioni quantistiche abbastanza a lungo in modo che le macchine quantistiche possano eseguire calcoli utili è una delle maggiori sfide della fisica moderna. I computer quantistici utili richiederanno milioni o miliardi di qubit per elaborare le informazioni. Finora, i migliori dispositivi sperimentali hanno circa 20 qubit.

Per liberare il potenziale della tecnologia quantistica, gli scienziati devono trovare un modo per proteggere la sovrapposizione intricata di bit quantistici, o qubit, su scala nanometrica. I tentativi di raggiungere questo obiettivo utilizzando superconduttori e ioni intrappolati hanno mostrato risultati promettenti, ma sono altamente suscettibili alle interferenze elettromagnetiche, rendendoli diabolicamente difficili da scalare in macchine utili.

L'uso di fotoni, pacchetti di energia luminosa, piuttosto che di elettroni è stata un'alternativa proposta su cui costruire porte logiche in grado di calcolare algoritmi quantistici.

fotoni, a differenza degli elettroni, sono ben isolati dall'ambiente termico ed elettromagnetico. Però, il ridimensionamento dei dispositivi quantistici basati su qubit fotonici è stato limitato a causa della perdita di dispersione e di altri errori; fino ad ora.

"Quello che abbiamo fatto è sviluppare una nuova struttura reticolare di nanofili di silicio, creando una particolare simmetria che fornisce un'insolita robustezza alla correlazione dei fotoni. La simmetria aiuta sia a creare che a guidare questi stati correlati, note come "modalità edge", " ha detto il dottor Blanco-Redondo, il Messel Research Fellow presso la Scuola di Fisica.

"Questa robustezza deriva dalla topologia sottostante, una proprietà globale del reticolo che rimane invariata contro il disordine."

La correlazione che questo produce è necessaria per costruire stati entangled per porte quantistiche.

Canali, o guide d'onda, realizzato utilizzando nanofili di silicio larghi appena 500 nanometri, erano allineati a coppie con un deliberato difetto di simmetria nel mezzo, creando due strutture reticolari con diverse topologie e un "bordo" intermedio.

Questa topologia consente la creazione di modalità speciali in cui i fotoni possono accoppiarsi, chiamate "modalità edge". Queste modalità consentono di trasportare in modo robusto le informazioni trasportate dai fotoni accoppiati che altrimenti sarebbero state disperse e perse attraverso un reticolo uniforme.

Il Dr. Blanco-Redondo ha progettato ed eseguito l'esperimento nel Sydney Nanoscience Hub con il Dr. Bryn Bell, in precedenza presso l'Università di Sydney e ora presso l'Università di Oxford.

I fotoni sono stati creati da alta intensità, impulsi laser ultracorti, la stessa tecnologia di base per la quale Donna Strickland e Gerard Mourou hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica 2018.

Questa ricerca è l'ultima nella fioritura delle scoperte dell'ultimo decennio sugli stati topologici della materia. Queste caratteristiche topologiche offrono protezione per le informazioni classiche e quantistiche in campi diversi come l'elettromagnetismo, Materia condensata, acustica e atomi freddi.

Laboratori quantistici Microsoft, compreso quello di Sydney, stanno perseguendo lo sviluppo di qubit basati su elettroni in cui l'informazione quantistica è protetta topologicamente tramite l'annodamento di quasiparticelle note come fermioni di Majorana. Questo è un po' come intrecciare stati di mezzo elettrone indotti attraverso l'interazione di superconduttori e metalli semiconduttori.

Stati topologicamente protetti sono stati precedentemente dimostrati per singoli fotoni.

Però, Il Dr. Blanco-Redondo ha detto:"I sistemi di informazione quantistica si baseranno su stati multifotoni, sottolineando l'importanza di questa scoperta per un ulteriore sviluppo".

Ha detto che il prossimo passo sarà quello di migliorare la protezione dell'entanglement di fotoni per creare robusti, porte logiche quantistiche scalabili.

Professor Stephen Bartlett, un fisico quantistico teorico a Sydney Nano che non è collegato allo studio, ha dichiarato:"Il risultato del Dr. Blanco-Redondo è entusiasmante a un livello fondamentale perché mostra l'esistenza di modi protetti attaccati al confine di un materiale topologicamente ordinato.

"Che cosa significhi per l'informatica quantistica non è chiaro in quanto è ancora agli inizi. Ma la speranza è che la protezione offerta da queste modalità edge possa essere utilizzata per proteggere i fotoni dai tipi di rumore che sono problematici per le applicazioni quantistiche".