Scienziati dell'Università di Bristol e dell'Università tecnica della Danimarca hanno trovato un nuovo modo promettente per costruire la prossima generazione di simulatori quantistici che combinano luce e microchip di silicio.

Nella roadmap per lo sviluppo di macchine quantistiche in grado di competere e superare i classici supercomputer nella risoluzione di problemi specifici, la comunità scientifica sta affrontando due principali sfide tecnologiche.

Il primo è la capacità di costruire grandi circuiti quantistici in grado di elaborare le informazioni su larga scala, e il secondo è la capacità di creare un gran numero di singole particelle quantistiche in grado di codificare e propagare l'informazione quantistica attraverso tali circuiti.

Entrambi questi due requisiti devono essere soddisfatti per sviluppare una tecnologia quantistica avanzata in grado di superare le macchine classiche.

Una piattaforma molto promettente per affrontare tali sfide è la fotonica quantistica del silicio. In questa tecnologia, le informazioni trasportate dai fotoni, singola particella di luci, viene generato e processato in microchip di silicio.

Questi dispositivi guidano e manipolano la luce su scala nanometrica utilizzando guide d'onda integrate, l'analogo delle fibre ottiche su scala nanometrica.

In modo cruciale, la fabbricazione di chip fotonici richiede le stesse tecniche utilizzate per la fabbricazione di microchip elettronici nell'industria dei semiconduttori, rendendo possibile la fabbricazione di circuiti quantistici su larga scala.

Nei laboratori di tecnologia quantistica (QET) dell'Università di Bristol, il team ha recentemente dimostrato chip fotonici di silicio che incorporano interferometri quantistici composti da quasi un migliaio di componenti ottici, ordini di grandezza superiori a quanto era possibile solo pochi anni fa.

Però, la grande domanda rimasta senza risposta era se questi dispositivi fossero anche in grado di produrre un numero di fotoni abbastanza grande da svolgere utili compiti computazionali quantistici. La ricerca guidata da Bristol, pubblicato oggi sulla rivista Fisica della natura , dimostra che questa domanda ha una risposta positiva.

Esplorando i recenti sviluppi tecnologici nella fotonica quantistica del silicio, il team ha dimostrato che anche i circuiti fotonici al silicio su piccola scala possono generare ed elaborare un numero di fotoni senza precedenti nella fotonica integrata.

Infatti, a causa di imperfezioni nel circuito come perdite di fotoni, le precedenti dimostrazioni nella fotonica integrata sono state per lo più limitate a esperimenti con solo due fotoni generati ed elaborati su chip, e solo l'anno scorso, esperimenti a quattro fotoni sono stati riportati utilizzando circuiti complessi.

Nel lavoro, migliorando il design di ogni componente integrato, il team mostra che anche circuiti semplici possono produrre esperimenti con un massimo di otto fotoni, il doppio del precedente record nella fotonica integrata. Inoltre, la loro analisi mostra che aumentando la complessità del circuito, che è una forte capacità della piattaforma di silicio, sono possibili esperimenti con più di 20 fotoni, un regime in cui ci si aspetta che le macchine quantistiche fotoniche superino i migliori supercomputer classici.

Lo studio studia anche le possibili applicazioni per questi processori quantistici fotonici a breve termine che entrano in un regime di vantaggio quantistico.

In particolare, riconfigurando il tipo di non linearità ottica nel chip, hanno dimostrato che i chip di silicio possono essere utilizzati per eseguire una varietà di compiti di simulazione quantistica, noti come problemi di campionamento bosonico.

Per alcuni di questi protocolli, ad esempio, il campionamento del bosone gaussiano:questa nuova dimostrazione è una prima mondiale.

Il team ha anche dimostrato che, utilizzando tali protocolli, i dispositivi quantistici al silicio saranno in grado di risolvere problemi rilevanti a livello industriale. In particolare, mostrano come il problema chimico di trovare le transizioni vibrazionali in molecole che subiscono una trasformazione elettronica possa essere simulato sul nostro tipo di dispositivi utilizzando il campionamento bosonico gaussiano.

L'autore principale Dr. Stefano Paesani del Centro per le nanoscienze e l'informazione quantistica dell'Università di Bristol, ha dichiarato:"I nostri risultati mostrano che i simulatori quantistici fotonici che superano i supercomputer classici sono una prospettiva realistica a breve termine per la piattaforma di fotonica quantistica al silicio.

"Lo sviluppo di tali macchine quantistiche può avere impatti potenzialmente innovativi su campi industrialmente rilevanti come la chimica, progettazione molecolare, intelligenza artificiale, e analisi dei big data.

"Le applicazioni includono la progettazione di prodotti farmaceutici migliori e l'ingegneria di stati molecolari in grado di generare energia in modo più efficiente".

Il coautore, il dott. Raffaele Santagati, ha aggiunto:"I risultati ottenuti ci rendono fiduciosi che la pietra miliare delle macchine quantistiche più veloci di qualsiasi computer classico attuale è alla portata della piattaforma di fotonica quantistica integrata.

"Se è vero che anche altre tecnologie hanno la capacità di raggiungere tale regime, per esempio ioni intrappolati o sistemi superconduttori, l'approccio fotonico ha il vantaggio unico di avere le applicazioni a breve termine che abbiamo studiato. Il percorso fotonico, sebbene pericoloso, è impostato, ed è molto degno di essere perseguito".

Professor Anthony Laing, Professore Associato di Fisica a Bristol, supervisionato il progetto. Ha detto:"Nel quadruplicare il numero di fotoni sia generati che elaborati nello stesso chip, il team ha preparato la scena per aumentare i simulatori quantistici a decine di fotoni in cui i confronti delle prestazioni con l'hardware di elaborazione standard di oggi diventano significativi".