L'informatica quantistica ha il potenziale per rivoluzionare la tecnologia, medicinale, e la scienza fornendo processori più veloci ed efficienti, sensori, e dispositivi di comunicazione.

Ma trasferire informazioni e correggere errori all'interno di un sistema quantistico rimane una sfida per realizzare computer quantistici efficaci.

In un articolo sulla rivista Natura , ricercatori della Purdue University e dell'Università di Rochester, compreso John Nichol, un assistente professore di fisica, e Rochester Ph.D. studenti Yadav P. Kandel e Haifeng Qiao, dimostrare il loro metodo di trasmissione delle informazioni trasferendo lo stato degli elettroni. La ricerca avvicina gli scienziati alla creazione di computer quantistici completamente funzionali ed è l'ultimo esempio dell'iniziativa di Rochester per comprendere meglio il comportamento quantistico e sviluppare nuovi sistemi quantistici. L'Università ha recentemente ricevuto una sovvenzione di 4 milioni di dollari dal Dipartimento dell'Energia per esplorare i materiali quantistici.

Computer quantistici

Un computer quantistico opera sui principi della meccanica quantistica, un insieme unico di regole che governano su scala estremamente piccola gli atomi e le particelle subatomiche. Quando si tratta di particelle a queste scale, molte delle regole che governano la fisica classica non si applicano più ed emergono effetti quantistici; un computer quantistico è in grado di eseguire calcoli complessi, fattore numeri estremamente grandi, e simulare i comportamenti di atomi e particelle a livelli che i computer classici non possono.

I computer quantistici hanno il potenziale per fornire maggiori informazioni sui principi della fisica e della chimica simulando il comportamento della materia in condizioni insolite a livello molecolare. Queste simulazioni potrebbero essere utili per sviluppare nuove fonti di energia e studiare le condizioni di pianeti e galassie o confrontare composti che potrebbero portare a nuove terapie farmacologiche.

"Io e te siamo sistemi quantistici. Le particelle nel nostro corpo obbediscono alla fisica quantistica. Ma, se provi a calcolare cosa succede a tutti gli atomi del nostro corpo, non puoi farlo su un normale computer, " dice Nichol. "Un computer quantistico potrebbe farlo facilmente."

I computer quantistici potrebbero anche aprire le porte per ricerche di database e crittografia più veloci.

"Si scopre che quasi tutta la crittografia moderna si basa sull'estrema difficoltà per i normali computer di fattorizzare grandi numeri, " dice Nichol. "I computer quantistici possono facilmente scomporre grandi numeri e violare schemi di crittografia, quindi puoi immaginare perché molti governi sono interessati a questo".

Bit contro qubit

Un normale computer è composto da miliardi di transistor, chiamati bit. computer quantistici, d'altra parte, si basano su bit quantistici, noto anche come qubit, che può essere prodotto da un singolo elettrone. A differenza dei normali transistor, che può essere "0" o "1, " i qubit possono essere sia "0" che "1" allo stesso tempo. La capacità dei singoli qubit di occupare questi "stati di sovrapposizione, "dove si trovano contemporaneamente in più stati, alla base del grande potenziale dei computer quantistici. Proprio come i normali computer, però, i computer quantistici hanno bisogno di un modo per trasferire informazioni tra qubit, e questo presenta una grande sfida sperimentale.

"Un computer quantistico deve avere molti qubit, e sono davvero difficili da realizzare e da utilizzare, " dice Nichol. "Lo stato dell'arte in questo momento sta facendo qualcosa con solo pochi qubit, quindi siamo ancora molto lontani dal realizzare il pieno potenziale dei computer quantistici".

Tutti i computer, inclusi computer e dispositivi sia normali che quantistici come gli smartphone, anche eseguire la correzione degli errori. Un normale computer contiene copie di bit, quindi se uno dei bit va male, "il resto prenderà solo un voto di maggioranza" e correggerà l'errore. Però, i bit quantistici non possono essere copiati, Nichol dice, "quindi devi essere molto intelligente su come correggere gli errori. Quello che stiamo facendo qui è un passo in quella direzione."

Manipolare gli elettroni

La correzione degli errori quantistici richiede che i singoli qubit interagiscano con molti altri qubit. Questo può essere difficile perché un singolo elettrone è come un magnete a barra con un polo nord e un polo sud che possono puntare sia verso l'alto che verso il basso. La direzione del polo:se il polo nord punta verso l'alto o verso il basso, per esempio, è noto come momento magnetico dell'elettrone o stato quantistico.

Se alcuni tipi di particelle hanno lo stesso momento magnetico, non possono essere nello stesso posto allo stesso tempo. Questo è, due elettroni nello stesso stato quantico non possono sedersi uno sopra l'altro.

"Questo è uno dei motivi principali per cui qualcosa come un centesimo, che è fatto di metallo, non crolla su se stesso, " Dice Nichol. "Gli elettroni si stanno allontanando perché non possono trovarsi nello stesso posto allo stesso tempo".

Se due elettroni sono in stati opposti, possono sedersi uno sopra l'altro. Una conseguenza sorprendente di ciò è che se gli elettroni sono abbastanza vicini, i loro stati si scambieranno avanti e indietro nel tempo.

"Se hai un elettrone che è in alto e un altro elettrone che è in basso e li spingi insieme per la giusta quantità di tempo, si scambieranno, " dice Nichol. "Non si sono scambiati i posti, ma i loro stati cambiarono".

Per forzare questo fenomeno, Nichol e i suoi colleghi hanno raffreddato un chip semiconduttore a temperature estremamente basse. Usando punti quantici, semiconduttori su nanoscala, hanno intrappolato quattro elettroni di fila, quindi spostarono gli elettroni in modo che entrassero in contatto e i loro stati cambiassero.

"C'è un modo semplice per cambiare lo stato tra due elettroni vicini, ma farlo su lunghe distanze, nel nostro caso, sono quattro elettroni:richiede molto controllo e abilità tecnica, " Dice Nichol. "La nostra ricerca mostra che questo è ora un approccio praticabile per inviare informazioni su lunghe distanze".

Un primo passo

Trasmettendo lo stato di un elettrone avanti e indietro attraverso una serie di qubit, senza spostare la posizione degli elettroni, fornisce un esempio lampante delle possibilità consentite dalla fisica quantistica per la scienza dell'informazione.

"Questo esperimento dimostra che le informazioni negli stati quantistici possono essere trasferite senza trasferire effettivamente il singolo elettrone che ruota lungo la catena, "dice Michele Manfra, professore di fisica e astronomia alla Purdue University. "È un passo importante per mostrare come le informazioni possono essere trasmesse dalla meccanica quantistica, in modi molto diversi da quelli che la nostra intuizione classica ci farebbe credere".

Nichol paragona questo ai passaggi che hanno portato dai primi dispositivi informatici ai computer di oggi. Detto ciò, un giorno avremo tutti computer quantistici per sostituire i nostri computer desktop? "Se avessi fatto questa domanda all'IBM negli anni '60, probabilmente avrebbero detto di no, non c'è modo che accada, " Nichol dice. "Questa è la mia reazione ora. Ma, chi lo sa?"