I fisici del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno teletrasportato un'istruzione del circuito del computer nota come operazione di logica quantistica tra due ioni separati (atomi caricati elettricamente), mostrando come i programmi per computer quantistici potrebbero svolgere compiti nelle future reti quantistiche su larga scala.

Il teletrasporto quantistico trasferisce i dati da un sistema quantistico (come uno ione) a un altro (come un secondo ione), anche se i due sono completamente isolati l'uno dall'altro, come due libri negli scantinati di edifici separati. In questa forma di teletrasporto nella vita reale, solo informazioni quantistiche, nessun problema, viene trasportato, in contrasto con la versione di Star Trek di "trasportare" interi esseri umani da, dire, un'astronave per un pianeta.

Il teletrasporto di dati quantistici è stato dimostrato in precedenza con ioni e una varietà di altri sistemi quantistici. Ma il nuovo lavoro è il primo a teletrasportare un'operazione di logica quantistica completa utilizzando ioni, uno dei principali candidati per l'architettura dei futuri computer quantistici. Gli esperimenti sono descritti nel numero del 31 maggio di Scienza .

"Abbiamo verificato che la nostra operazione logica funziona su tutti gli stati di input di due bit quantistici con una probabilità compresa tra l'85 e l'87%, tutt'altro che perfetta, ma è un inizio, Ha detto il fisico del NIST Dietrich Leibfried.

Un computer quantistico a grandezza naturale, se uno può essere costruito, potrebbe risolvere alcuni problemi che sono attualmente intrattabili. Il NIST ha contribuito agli sforzi di ricerca globale per sfruttare il comportamento quantistico per le tecnologie pratiche, compresi gli sforzi per costruire computer quantistici.

Affinché i computer quantistici funzionino come sperato, avranno probabilmente bisogno di milioni di bit quantistici, o "qubit, " così come i modi per condurre operazioni tra qubit distribuiti su macchine e reti su larga scala. Il teletrasporto delle operazioni logiche è un modo per farlo senza connessioni meccaniche quantistiche dirette (saranno comunque necessarie connessioni fisiche per lo scambio di informazioni classiche).

Il team del NIST ha teletrasportato un'operazione logica CNOT (quantum controllato-NOT), o porta logica, tra due qubit di ioni berillio situati a più di 340 micrometri (milionesimi di metro) l'uno dall'altro in zone separate di una trappola ionica, una distanza che esclude ogni sostanziale interazione diretta. Un'operazione CNOT capovolge il secondo qubit da 0 a 1, o vice versa, solo se il primo qubit è 1; non succede nulla se il primo qubit è 0. In tipico modo quantistico, entrambi i qubit possono trovarsi in "sovrapposizioni" in cui hanno valori di 1 e 0 contemporaneamente.

Il processo di teletrasporto del NIST si basa sull'entanglement, che collega le proprietà quantistiche delle particelle anche quando sono separate. Una coppia "messaggera" di ioni magnesio entangled viene utilizzata per trasferire informazioni tra gli ioni berillio (vedi infografica).

Il team del NIST ha scoperto che il suo processo CNOT teletrasportato ha impigliato i due ioni magnesio, un passaggio iniziale cruciale, con un tasso di successo del 95%, mentre l'intera operazione logica ha avuto successo dall'85% all'87% delle volte.

"Il teletrasporto del cancello ci consente di eseguire un cancello logico quantistico tra due ioni spazialmente separati e che potrebbero non aver mai interagito prima, " disse Leibfried. "Il trucco è che ognuno di loro ha uno ione di un'altra coppia impigliata al suo fianco, e questa risorsa di entanglement, distribuito davanti al cancello, ci permette di fare un trucco quantistico che non ha una controparte classica."

"Le coppie di messaggistica entangled potrebbero essere prodotte in una parte dedicata del computer e spedite separatamente ai qubit che devono essere collegati a una porta logica ma si trovano in posizioni remote, "Ha aggiunto Leibfried.

Il lavoro del NIST è stato anche integrato in un unico esperimento, per la prima volta, diverse operazioni che saranno essenziali per costruire computer quantistici su larga scala basati su ioni, compreso il controllo di diversi tipi di ioni, trasporto di ioni, e operazioni di entanglement su sottoinsiemi selezionati del sistema.

Per verificare che abbiano eseguito un gate CNOT, i ricercatori hanno preparato il primo qubit in 16 diverse combinazioni di stati di input e poi hanno misurato gli output sul secondo qubit. Ciò ha prodotto una "tabella della verità" quantistica generalizzata che mostra il processo funzionato.

Oltre a generare una tabella di verità, i ricercatori hanno verificato la coerenza dei dati su tempi di esecuzione prolungati per aiutare a identificare le fonti di errore nella configurazione sperimentale. Questa tecnica dovrebbe essere uno strumento importante nella caratterizzazione dei processi di informazione quantistica in esperimenti futuri.