Immagina un mondo in cui le persone potrebbero parlare solo con il loro vicino di casa, e i messaggi devono essere passati di casa in casa per raggiungere destinazioni lontane.

Fino ad ora, questa è stata la situazione per i pezzi di hardware che compongono un computer quantistico al silicio, un tipo di computer quantistico con il potenziale per essere più economico e più versatile rispetto alle versioni odierne.

Ora un team dell'Università di Princeton ha superato questo limite e ha dimostrato che due componenti dell'informatica quantistica, noti come qubit di "spin" di silicio, possono interagire anche se distanziati relativamente distanti su un chip di computer. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Natura .

"La capacità di trasmettere messaggi a questa distanza su un chip di silicio sblocca nuove funzionalità per il nostro hardware quantistico, " ha detto Jason Petta, l'Eugene Higgins Professore di Fisica a Princeton e leader dello studio. "L'obiettivo finale è avere più bit quantistici disposti in una griglia bidimensionale in grado di eseguire calcoli ancora più complessi. Lo studio dovrebbe aiutare a lungo termine a migliorare la comunicazione dei qubit su un chip e da un chip all'altro. "

I computer quantistici hanno il potenziale per affrontare sfide oltre le capacità dei computer di tutti i giorni, come fattorizzare grandi numeri. Un bit quantico, o qubit, è in grado di elaborare molte più informazioni rispetto a un bit di computer di tutti i giorni perché, considerando che ogni bit di computer classico può avere un valore di 0 o 1, un bit quantistico può rappresentare un intervallo di valori compreso tra 0 e 1 contemporaneamente.

Per realizzare la promessa dell'informatica quantistica, questi computer futuristici richiederanno decine di migliaia di qubit in grado di comunicare tra loro. I prototipi di computer quantistici di oggi di Google, IBM e altre società contengono decine di qubit realizzati con una tecnologia che coinvolge circuiti superconduttori, ma molti tecnologi considerano i qubit a base di silicio come più promettenti a lungo termine.

I qubit di spin di silicio hanno diversi vantaggi rispetto ai qubit superconduttori. I qubit di spin del silicio mantengono il loro stato quantico più a lungo rispetto alle tecnologie qubit concorrenti. L'uso diffuso del silicio per i computer di tutti i giorni significa che i qubit a base di silicio potrebbero essere prodotti a basso costo.

La sfida deriva in parte dal fatto che i qubit di spin di silicio sono costituiti da singoli elettroni e sono estremamente piccoli.

"Il cablaggio o 'interconnessione' tra più qubit è la sfida più grande per un computer quantistico su larga scala, " ha detto James Clarke, direttore dell'hardware quantistico presso Intel, il cui team sta costruendo qubit di silicio utilizzando la linea di produzione avanzata di Intel, e chi non è stato coinvolto nello studio. "Il team di Jason Petta ha fatto un ottimo lavoro per dimostrare che gli spin qubit possono essere accoppiati a lunghe distanze".

Per realizzare questo, il team di Princeton ha collegato i qubit tramite un "cavo" che trasporta la luce in modo analogo ai cavi in ​​fibra ottica che forniscono segnali Internet alle case. In questo caso, però, il filo è in realtà una cavità stretta contenente una singola particella di luce, o fotone, che preleva il messaggio da un qubit e lo trasmette al qubit successivo.

I due qubit si trovavano a circa mezzo centimetro, o circa la lunghezza di un chicco di riso, a parte. Per metterlo in prospettiva, se ogni qubit avesse le dimensioni di una casa, il qubit sarebbe in grado di inviare un messaggio a un altro qubit situato a 750 miglia di distanza.

Il passo in avanti fondamentale è stato trovare un modo per far sì che i qubit e il fotone parlassero la stessa lingua sintonizzando tutti e tre per vibrare alla stessa frequenza. Il team è riuscito a sintonizzare entrambi i qubit indipendentemente l'uno dall'altro, pur continuando ad accoppiarli al fotone. In precedenza l'architettura del dispositivo consentiva l'accoppiamento di un solo qubit alla volta al fotone.

"Devi bilanciare le energie dei qubit su entrambi i lati del chip con l'energia dei fotoni per far parlare tutti e tre gli elementi tra loro, " disse Felix Borjans, uno studente laureato e primo autore dello studio. "Questa è stata la parte davvero impegnativa del lavoro."

Ogni qubit è composto da un singolo elettrone intrappolato in una minuscola camera chiamata doppio punto quantico. Gli elettroni possiedono una proprietà nota come spin, che può puntare verso l'alto o verso il basso in modo analogo all'ago di una bussola che punta a nord oa sud. Zapping l'elettrone con un campo di microonde, i ricercatori possono capovolgere lo spin verso l'alto o verso il basso per assegnare al qubit uno stato quantico di 1 o 0.

"Questa è la prima dimostrazione di intrappolare gli spin degli elettroni nel silicio separati da distanze molto più grandi dei dispositivi che ospitano quegli spin, " disse Thaddeus Ladd, scienziato senior presso i laboratori HRL e collaboratore del progetto. "Non troppo tempo fa, c'era il dubbio che ciò fosse possibile, a causa dei requisiti contrastanti dell'accoppiamento degli spin alle microonde e dell'evitare gli effetti delle cariche rumorose che si muovono nei dispositivi a base di silicio. Questa è un'importante prova di possibilità per i qubit di silicio perché aggiunge una notevole flessibilità su come cablare quei qubit e come disporli geometricamente nei futuri "microchip quantistici" basati sul silicio".

La comunicazione tra due dispositivi qubit a base di silicio distanti si basa sul lavoro precedente del team di ricerca di Petta. In un articolo del 2010 sulla rivista Scienza , il team ha dimostrato che è possibile intrappolare singoli elettroni nei pozzi quantistici. Nel diario Natura nel 2012, il team ha riportato il trasferimento di informazioni quantistiche dagli spin degli elettroni nei nanofili ai fotoni a frequenza di microonde, e nel 2016 in Scienza hanno dimostrato la capacità di trasmettere informazioni da un qubit di carica a base di silicio a un fotone. Hanno dimostrato lo scambio di informazioni in qubit con il vicino più vicino nel 2017 in Scienza . E la squadra ha mostrato nel 2018 in Natura che un qubit di spin di silicio potrebbe scambiare informazioni con un fotone.

Jelena Vuckovic, professore di ingegneria elettrica e Jensen Huang Professor in Global Leadership presso la Stanford University, chi non è stato coinvolto nello studio, ha commentato:"La dimostrazione delle interazioni a lungo raggio tra i qubit è cruciale per l'ulteriore sviluppo di tecnologie quantistiche come i computer quantistici modulari e le reti quantistiche. Questo entusiasmante risultato del team di Jason Petta è una pietra miliare importante verso questo obiettivo, poiché dimostra l'interazione non locale tra due spin elettronici separati da più di 4 millimetri, mediato da un fotone a microonde. Inoltre, per costruire questo circuito quantistico, il team ha impiegato silicio e germanio, materiali ampiamente utilizzati nell'industria dei semiconduttori".