Nel mondo dell'informatica quantistica, l'interazione è tutto.

Affinché i computer funzionino, i bit, gli uni e gli zeri che costituiscono le informazioni digitali, devono essere in grado di interagire e trasferire i dati per l'elaborazione. Lo stesso vale per i bit quantistici, o qubit, che compongono i computer quantistici.

Ma quell'interazione crea un problema:in qualsiasi sistema in cui i qubit interagiscono tra loro, tendono anche a voler interagire con il loro ambiente, con conseguente qubit che perdono rapidamente la loro natura quantistica.

Per aggirare il problema, Dottorato di ricerca presso la Graduate School of Arts and Sciences. lo studente Ruffin Evans si è rivolto alle particelle note principalmente per la loro mancanza di interazioni:i fotoni.

Lavorando nel laboratorio di Mikhail Lukin, il professore di fisica George Vasmer Leverett e co-direttore della Quantum Science and Engineering Initiative, Evans è l'autore principale di uno studio, descritto nel giornale Scienza , che dimostra un metodo per ingegnerizzare un'interazione tra due qubit usando i fotoni.

"Non è difficile progettare un sistema con interazioni molto forti, ma le interazioni forti possono anche causare rumore e interferenze attraverso l'interazione con l'ambiente, "Evans ha detto. "Quindi devi rendere l'ambiente estremamente pulito. Questa è una grande sfida. Stiamo operando in un regime completamente diverso. Usiamo fotoni, che hanno interazioni deboli con tutto."

Evans e colleghi hanno iniziato creando due qubit utilizzando i centri di vacanza del silicio - impurità su scala atomica nei diamanti - e inserendoli all'interno di un dispositivo su nanoscala noto come cavità di cristallo fotonico, che si comporta come due specchi affacciati.

"La possibilità che la luce interagisca con un atomo in un singolo passaggio potrebbe essere molto, molto piccolo, ma una volta che la luce rimbalza intorno alle 10, 000 volte, accadrà quasi sicuramente, " disse. "Quindi uno degli atomi può emettere un fotone, e rimbalzerà tra questi specchi, e ad un certo punto, l'altro atomo assorbirà il fotone."

Il trasferimento di quel fotone non va solo in un modo, anche se.

"Il fotone viene effettivamente scambiato più volte tra i due qubit, " Evans ha detto. "È come se stessero giocando a patata bollente; i qubit lo passano avanti e indietro."

Sebbene l'idea di creare un'interazione tra i qubit non sia nuova (i ricercatori hanno gestito l'impresa in numerosi altri sistemi), ci sono due fattori che rendono unico il nuovo studio, ha detto Evans.

"Il progresso chiave è che stiamo operando con fotoni a frequenze ottiche, che di solito interagiscono molto debolmente, " ha detto. "Questo è esattamente il motivo per cui usiamo la fibra ottica per trasmettere i dati:puoi inviare luce attraverso una fibra lunga praticamente senza attenuazione. Quindi la nostra piattaforma è particolarmente entusiasmante per il calcolo quantistico a lunga distanza o il networking quantistico".

E sebbene il sistema funzioni solo a temperature estremamente basse, Evans ha detto che è meno complesso degli approcci che richiedono sistemi elaborati di raffreddamento laser e trappole ottiche per mantenere gli atomi in posizione. Poiché il sistema è costruito su scala nanometrica, Ha aggiunto, apre la possibilità che molti dispositivi possano essere alloggiati su un singolo chip.

"Anche se questo tipo di interazione è stato realizzato prima, non è stato realizzato in sistemi a stato solido nel dominio ottico, " ha detto. "I nostri dispositivi sono costruiti utilizzando tecniche di fabbricazione di semiconduttori. È facile immaginare di utilizzare questi strumenti per scalare fino a molti più dispositivi su un singolo chip".

Evans prevede due direzioni principali per la ricerca futura. Il primo prevede lo sviluppo di modi per esercitare il controllo sui qubit e la costruzione di una suite completa di porte quantistiche che consentirebbero loro di funzionare come un computer quantistico funzionante.

"L'altra direzione è dire che possiamo già costruire questi dispositivi, e prendere informazioni, leggerlo dal dispositivo e metterlo in una fibra ottica, quindi pensiamo a come possiamo ampliare questo e costruire effettivamente una vera rete quantistica su distanze a misura d'uomo, " ha detto. "Stiamo immaginando schemi per creare collegamenti tra i dispositivi in ​​tutto il laboratorio o in tutto il campus utilizzando gli ingredienti che già abbiamo, o utilizzando dispositivi di nuova generazione per realizzare una rete quantistica su piccola scala".

In definitiva, Evans ha detto, il lavoro potrebbe avere un impatto di vasta portata sul futuro dell'informatica.

"Tutto, da un'internet quantistica ai data center quantistici, richiederà collegamenti ottici tra sistemi quantistici, e questo è il pezzo del puzzle per cui il nostro lavoro è molto adatto, " Egli ha detto.

Questa storia è pubblicata per gentile concessione della Harvard Gazette, Il giornale ufficiale dell'Università di Harvard. Per ulteriori notizie universitarie, visita Harvard.edu.