Gli esseri umani creano molti dati nell'era digitale, che si tratti di oggetti di uso quotidiano come post sui social media, email e ricerche su Google, o informazioni più complesse sulla salute, finanze e scoperte scientifiche.

L'International Data Corp. ha riferito che la sfera dati globale conteneva 33 zettabyte, o 33 trilioni di gigabyte, nel 2018. Entro il 2025, si aspettano che il numero cresca fino a 175 zettabyte. 175 zettabyte di informazioni memorizzate su DVD riempirebbero abbastanza DVD per fare il giro della Terra 222 volte.

Sebbene l'informatica quantistica sia stata pubblicizzata come un modo per ordinare in modo intelligente i big data, gli ambienti quantistici sono difficili da creare e mantenere. Stati di bit quantistici entangled, o qubit, di solito durano meno di un secondo prima di crollare. I qubit sono anche molto sensibili all'ambiente circostante e devono essere conservati a temperature criogeniche.

In un articolo pubblicato su Fisica delle comunicazioni , i ricercatori del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell'Università dell'Arizona hanno dimostrato la possibilità per le onde acustiche in un ambiente classico di svolgere il lavoro di elaborazione delle informazioni quantistiche senza limiti di tempo e fragilità.

"Potremmo far funzionare il nostro sistema per anni, "ha detto Keith Runge, direttore di ricerca presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali e uno degli autori dell'articolo. "È così robusto che potremmo portarlo fuori a una fiera senza che venga affatto disturbato, all'inizio di quest'anno, Noi facemmo."

Il professore assistente di ricerca in scienza dei materiali e ingegneria Arif Hasan ha guidato la ricerca. Altri coautori includono il professore assistente di ricerca MSE Lazaro Calderin; studente universitario Trevor Lata; Pierre Lucas, professore di MSE e scienze ottiche; e Pierre Deymier, capo dipartimento MSE, membro del Graduate Interdisciplinary Programme di matematica applicata, e membro dell'Istituto BIO5. Il team sta lavorando con Tech Launch Arizona, l'ufficio dell'UA che commercializza le invenzioni derivanti dalla ricerca, per brevettare il loro dispositivo e sta studiando percorsi commerciali per portare l'innovazione al pubblico.

Sovrapposizione quantistica

Nell'informatica classica, le informazioni vengono memorizzate come 0 o 1, allo stesso modo una moneta deve atterrare su testa o croce. Nell'informatica quantistica, i qubit possono essere memorizzati in entrambi gli stati contemporaneamente, una cosiddetta sovrapposizione di stati. Pensa a una moneta in equilibrio su un lato, girando così velocemente che sia la testa che la coda sembrano apparire contemporaneamente.

Quando i qubit sono entangled, tutto ciò che accade a un qubit influenza l'altro attraverso un principio chiamato non separabilità. In altre parole, abbattere una moneta che gira su un tavolo e un'altra moneta che gira sullo stesso tavolo cade, pure. Un principio chiamato non località mantiene le particelle collegate anche se sono distanti:abbatti una moneta che gira, e la sua controparte impigliata dall'altra parte dell'universo cade, pure. I qubit entangled creano uno stato Bell, in cui tutte le parti di un collettivo sono influenzate l'una dall'altra.

"Questa è la chiave, perché se manipoli un solo qubit, stai manipolando l'intera collezione di qubit, " Disse Deymier. "In un normale computer, hai molte informazioni memorizzate come 0 o 1, e devi rivolgerti a ciascuno di loro."

Dalla luce al suono

Ma, come una moneta che gira sul suo bordo, la meccanica quantistica è fragile. L'atto di misurare uno stato quantistico può causare il collasso del collegamento, o decohere, proprio come scattare una foto di una moneta che gira significherà catturare solo un lato della moneta. Ecco perché gli stati qubit possono essere mantenuti solo per brevi periodi.

Ma c'è un modo per aggirare l'uso della meccanica quantistica per l'elaborazione dei dati:scienziati ottici e ricercatori di ingegneria elettrica e informatica hanno dimostrato la capacità di creare sistemi di fotoni, o unità di luce, che mostrano inseparabilità senza nonlocalità. Sebbene la non località sia importante per applicazioni specifiche come la crittografia, è l'inseparabilità che conta per applicazioni come l'informatica quantistica. E le particelle che non sono separabili negli stati classici di Bell, piuttosto che impigliato in uno stato quantistico di Bell, sono molto più stabili.

Il team di scienza e ingegneria dei materiali ha compiuto un ulteriore passo avanti dimostrando per la prima volta che la classica non separabilità può essere applicata alle onde acustiche, non solo onde luminose. Usano phi-bit, unità costituite da quasi-particelle chiamate fononi che trasmettono onde sonore e di calore.

"Laser di luce e singoli fotoni fanno parte della fotonica di campo, ma le onde sonore cadono sotto l'ombrello della fononica, o lo studio dei fononi, " Ha detto Deymier. "Oltre ad essere stabile, le onde acustiche classicamente entangled sono facili da interagire e manipolare."

Scienza complessa, Strumenti semplici

I materiali per dimostrare un concetto così complesso erano semplici, tra cui tre aste in alluminio, abbastanza resina epossidica per collegarli e alcuni elastici per l'elasticità.

I ricercatori hanno inviato un'ondata di vibrazioni sonore lungo le aste, quindi monitorato due gradi di libertà delle onde:in quale direzione le onde si muovevano lungo le aste (in avanti o indietro) e come le aste si muovevano l'una rispetto all'altra (se stessero ondeggiando nella stessa direzione e con ampiezze simili). Per eccitare il sistema in uno stato non separabile, identificarono una frequenza alla quale questi due gradi di libertà erano collegati e inviarono le onde a quella frequenza. Il risultato? Uno stato di Bell.

"Così, abbiamo un sistema acustico che ci dà la possibilità di creare questi stati di Bell, " Ha detto Deymier. "È l'analogo completo della meccanica quantistica".

Dimostrare che ciò è possibile ha aperto la porta all'applicazione della nonseparabilità classica al campo emergente della fononica. Prossimo, i ricercatori lavoreranno per aumentare il numero di gradi di libertà che possono essere classicamente impigliati, tanto più, meglio è. Vogliono anche sviluppare algoritmi in grado di utilizzare questi stati non separabili per manipolare le informazioni.

Una volta perfezionato il sistema, hanno in programma di ridimensionarlo dal piano del tavolo fino alla microscala, pronto per essere distribuito su chip per computer nei data center di tutto il mondo.