Un team dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia ha condotto una serie di esperimenti per ottenere una migliore comprensione della meccanica quantistica e perseguire progressi nelle reti quantistiche e nell'informatica quantistica, che potrebbe portare ad applicazioni pratiche nella sicurezza informatica e in altri settori.

I ricercatori quantistici dell'ORNL Joseph Lukens, Pavel Lougovski, Brian Williams, e Nicholas Peters, insieme ai collaboratori della Purdue University e della Technological University of Pereira in Colombia, hanno riassunto i risultati di molti dei loro recenti articoli accademici in un numero speciale della rivista Optical Society. Notizie di ottica e fotonica , che ha mostrato alcuni dei risultati più significativi della ricerca relativa all'ottica nel 2019. Il loro ingresso è stato uno dei 30 selezionati per la pubblicazione da un pool di 91.

I "bit" dei computer convenzionali hanno un valore di 0 o 1, ma bit quantici, chiamati "qubit, " può esistere in una sovrapposizione di stati quantistici etichettati 0 e 1. Questa capacità rende i sistemi quantistici promettenti per la trasmissione, in lavorazione, immagazzinare, e crittografando grandi quantità di informazioni a velocità senza precedenti.

Per studiare i fotoni, singole particelle di luce che possono agire come qubit, i ricercatori hanno impiegato sorgenti luminose chiamate pettini di frequenza ottica quantistica che contengono molte lunghezze d'onda definite con precisione. Poiché viaggiano alla velocità della luce e non interagiscono con il loro ambiente, i fotoni sono una piattaforma naturale per trasportare informazioni quantistiche su lunghe distanze.

Le interazioni tra i fotoni sono notoriamente difficili da indurre e controllare, ma queste capacità sono necessarie per computer quantistici e porte quantistiche efficaci, che sono circuiti quantistici che operano su qubit. Le interazioni fotoniche inesistenti o imprevedibili rendono le porte quantistiche a due fotoni molto più difficili da sviluppare rispetto alle porte standard a un fotone, ma i ricercatori hanno raggiunto diversi importanti traguardi in studi recenti che hanno affrontato queste sfide.

Per esempio, hanno apportato modifiche alle apparecchiature di telecomunicazione esistenti utilizzate nella ricerca sull'ottica per ottimizzarle per la fotonica quantistica. I loro risultati hanno rivelato nuovi modi di utilizzare queste risorse per la comunicazione sia tradizionale che quantistica.

"L'uso di questa attrezzatura per manipolare gli stati quantistici è la base tecnologica di tutti questi esperimenti, ma non ci aspettavamo di poter andare nella direzione opposta e migliorare la comunicazione classica lavorando sulla comunicazione quantistica, " Lukens ha detto. "Questi risultati interessanti e imprevisti sono apparsi mentre approfondiamo questa area di ricerca".

Uno di questi strumenti, un divisore del raggio di frequenza, divide un singolo raggio di luce in due frequenze, o colori, di luce.

"Immagina di avere un raggio di luce che scende lungo una fibra ottica che ha una particolare frequenza, dire, rosso, " disse Lukens. "Allora, dopo aver attraversato il divisore del raggio di frequenza, il fotone partirà come due frequenze, quindi sarà sia rosso che blu".

I membri di questo team sono stati i primi ricercatori a progettare con successo un divisore del raggio di frequenza quantistica con tecnologia di comunicazione a onde luminose standard. Questo dispositivo acquisisce contemporaneamente fotoni rossi e blu, quindi produce energia nella frequenza rossa o blu. Usando questo metodo per cambiare deliberatamente le frequenze dei fotoni, il team ha ingannato le particelle ostinate in interazioni benefiche basate sull'interferenza quantistica, il fenomeno dei fotoni che interferiscono con le proprie traiettorie.

"Si è scoperto che i dispositivi standard possono offrire un controllo impressionante a livello di singolo fotone, che la gente non sapeva fosse possibile, ", ha detto Lougovski.

Inoltre, i ricercatori hanno completato la prima dimostrazione di un tritter di frequenza, che divide un raggio di luce in tre diverse frequenze invece di due. I loro risultati hanno indicato che più operazioni di elaborazione delle informazioni quantistiche possono essere eseguite contemporaneamente senza introdurre errori o danneggiare i dati.

Un altro risultato chiave è stata la progettazione e la dimostrazione da parte del team di un cancello NON controllato a base di coincidenza, che consente a un fotone di controllare uno spostamento di frequenza in un altro fotone. Questo dispositivo ha completato un set di porte quantistiche universali, il che significa che qualsiasi algoritmo quantistico può essere espresso come una sequenza all'interno di quelle porte.

"Le applicazioni di calcolo quantistico richiedono livelli di controllo molto più impressionanti rispetto a qualsiasi tipo di calcolo classico, ", ha detto Lougovski.

Il team ha anche codificato le informazioni quantistiche in più valori indipendenti noti come gradi di libertà all'interno di un singolo fotone, che ha permesso loro di osservare effetti di tipo entanglement quantistico senza bisogno di due particelle separate. L'entanglement di solito coinvolge due particelle collegate in cui le modifiche apportate allo stato di una particella si applicano anche all'altra.

Finalmente, i ricercatori hanno completato simulazioni quantistiche di problemi di fisica del mondo reale. In collaborazione con gli scienziati dell'Air Force Research Laboratory, ora si stanno sviluppando minuscoli, chip di silicio specializzati simili a quelli comuni nella microelettronica alla ricerca di prestazioni fotoniche ancora migliori.

"In teoria, possiamo ottenere tutte queste operazioni su un singolo chip fotonico, e vediamo un grande potenziale per fare esperimenti quantistici simili su questa nuova piattaforma, " ha detto Lukens. "Questo è il prossimo passo per portare davvero avanti questa tecnologia".

I futuri computer quantistici consentiranno agli scienziati di simulare problemi scientifici incredibilmente complessi che sarebbe impossibile studiare sui sistemi attuali, anche supercomputer. Intanto, i risultati del team potrebbero aiutare i ricercatori a incorporare sistemi fotonici nelle attuali risorse di elaborazione ad alte prestazioni.

"Abbiamo una squadra molto diversificata e di talento, " Ha detto Lougovski. "La cosa più importante è che stiamo ottenendo risultati".