I fisici dell'ETH di Zurigo hanno dimostrato un collegamento quantistico a microonde lungo cinque metri, il più lungo del suo genere fino ad oggi. Può essere utilizzato sia per le future reti di computer quantistici che per esperimenti nella ricerca di fisica quantistica di base.

La collaborazione è tutto, anche nel mondo quantistico. Per costruire potenti computer quantistici in futuro, sarà necessario collegare diversi computer più piccoli per formare una sorta di cluster o rete locale (LAN). Poiché quei computer funzionano con stati di sovrapposizione della meccanica quantistica, che contengono contemporaneamente i valori logici "0" e "1", anche i collegamenti tra loro dovrebbero essere "collegamenti quantistici".

Il collegamento più lungo finora basato su microonde, a cinque metri di lunghezza, è stato recentemente costruito nel laboratorio di Andreas Wallraff, professore al Quantum Device Lab dell'ETH di Zurigo. I ricercatori avrebbero dovuto presentare i loro risultati al meeting annuale dell'American Physical Society a Denver. A causa della situazione epidemica di COVID-19, questa conferenza è stata annullata con breve preavviso. Anziché, gli scienziati ora riferiscono i loro risultati in una conferenza virtuale sostitutiva.

"Questo è davvero un traguardo per noi, " spiega Wallraff, "d'ora in poi possiamo dimostrare che le LAN quantistiche sono possibili in linea di principio. Nei prossimi 10-20 anni, i computer quantistici probabilmente faranno sempre più affidamento su di essi." Attualmente ci sono computer con poche dozzine di bit o qubit quantistici, ma diverse centinaia di migliaia di loro sono quasi impossibili da ospitare nei dispositivi esistenti. Uno dei motivi è che i qubit basati su oscillatori elettrici superconduttori, come quelli utilizzati nei chip quantistici nel laboratorio di Wallraff (e anche da IBM e Google), necessitano di essere raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto di -273, 15 gradi Celsius. Ciò sopprime le perturbazioni termiche che farebbero perdere agli stati quantistici la loro proprietà di sovrapposizione, nota come decoerenza, e quindi si verificano errori nei calcoli quantistici.

Freddo estremo contro la decoerenza

"La sfida era connettere due di quei chip quantistici superconduttori in modo tale da poter scambiare stati di sovrapposizione tra loro con una decoerenza minima, "dice Philipp Kurpiers, un ex dottorato di ricerca studente nel gruppo di Wallraff. Ciò avviene per mezzo di fotoni a microonde che vengono emessi da un oscillatore superconduttore e ricevuti da un altro. Nel mezzo, volano attraverso una guida d'onda, che è una cavità metallica di pochi centimetri di larghezza, che deve anche essere fortemente raffreddato in modo che gli stati quantistici dei fotoni non siano influenzati.

Ciascuno dei chip quantistici viene raffreddato per diversi giorni in un criostato (un frigorifero estremamente potente), utilizzando elio compresso e anche liquido, a pochi centesimi di grado sopra lo zero assoluto. A quello scopo, la guida d'onda di cinque metri che crea il collegamento quantistico era dotata di un guscio costituito da diversi strati di lamina di rame. Ciascuno di quei fogli funge da scudo termico per le diverse fasi di temperatura del criostato:-223 gradi, -269 gradi, -272 gradi e infine -273, 1 gradi. Del tutto, quei soli scudi termici pesano circa un quarto di tonnellata.

Nessun esperimento "da tavolo"

"Così, questo non è sicuramente più un esperimento "da tavolo" che si può mettere insieme su un piccolo banco da lavoro, " dice Wallraff. "Molto lavoro di sviluppo è stato fatto in questo, e l'ETH è un luogo ideale per costruire un apparato così ambizioso. È una specie di mini-CERN che abbiamo dovuto prima costruire nel corso di diversi anni per poterci fare cose interessanti adesso." A parte i tre studenti di dottorato che hanno condotto gli esperimenti, numerosi ingegneri e tecnici, anche nei workshop dell'ETH e del Paul Scherrer Institute (PSI), erano coinvolti nella produzione e nella costruzione del collegamento quantistico.

I fisici dell'ETH non solo hanno mostrato che il collegamento quantistico può essere sufficientemente raffreddato, ma anche che può essere effettivamente utilizzato per trasmettere in modo affidabile informazioni quantistiche tra due chip quantistici. Per dimostrare questo, hanno creato uno stato entangled tra i due chip tramite il collegamento quantistico. Tali stati intricati, in cui la misurazione di un qubit influenza istantaneamente il risultato di una misurazione sull'altro qubit, può essere utilizzato anche per i test nella ricerca quantistica di base. In quei "Bell test, " i qubit devono essere abbastanza distanti l'uno dall'altro, in modo da escludere qualsiasi trasferimento di informazioni alla velocità della luce.

Mentre Wallraff e i suoi collaboratori stanno sperimentando il nuovo collegamento, hanno già iniziato a lavorare su collegamenti quantistici ancora più lunghi. Già un anno fa erano in grado di raffreddare a sufficienza un collegamento di dieci metri, ma senza fare alcun esperimento quantistico con esso. Ora stanno lavorando su un collegamento quantistico di 30 metri, per la quale è stata appositamente predisposta una sala all'ETH.