I ricercatori dell'esercito prevedono che i circuiti dei computer quantistici che non avranno più bisogno di temperature estremamente fredde per funzionare potrebbero diventare una realtà dopo circa un decennio.

Per anni, La tecnologia quantistica allo stato solido che opera a temperatura ambiente sembrava remota. Mentre l'applicazione di cristalli trasparenti con non linearità ottiche era emersa come il percorso più probabile per questa pietra miliare, la plausibilità di un tale sistema è sempre rimasta in discussione.

Ora, Gli scienziati dell'esercito hanno ufficialmente confermato la validità di questo approccio. Dottor Kurt Jacobs, del laboratorio di ricerca dell'esercito del comando di sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti, lavorando a fianco del Dr. Mikkel Heuck e del Prof. Dirk Englund, del Massachusetts Institute of Technology, è diventato il primo a dimostrare la fattibilità di una porta logica quantistica composta da circuiti fotonici e cristalli ottici.

"Se i futuri dispositivi che utilizzano tecnologie quantistiche richiederanno il raffreddamento a temperature molto basse, allora questo li renderà costosi, ingombrante, e assetato di potere, " Ha detto Heuck. "La nostra ricerca è finalizzata allo sviluppo di futuri circuiti fotonici che saranno in grado di manipolare l'entanglement richiesto per i dispositivi quantistici a temperatura ambiente".

La tecnologia quantistica offre una gamma di progressi futuri nell'informatica, comunicazioni e telerilevamento.

Per svolgere qualsiasi tipo di compito, i computer classici tradizionali lavorano con informazioni completamente determinate. Le informazioni sono memorizzate in molti bit, ognuno dei quali può essere acceso o spento. Un computer classico, quando viene fornito un input specificato da un numero di bit, può elaborare questo input per produrre una risposta, che è anche dato come numero di bit. Un computer classico elabora un input alla volta.

In contrasto, i computer quantistici memorizzano informazioni in qubit che possono trovarsi in uno stato strano in cui sono entrambi accesi e spenti allo stesso tempo. Ciò consente a un computer quantistico di esplorare le risposte a molti input contemporaneamente. Sebbene non sia in grado di fornire tutte le risposte contemporaneamente, può produrre relazioni tra queste risposte, che gli permette di risolvere alcuni problemi molto più velocemente di un computer classico.

Sfortunatamente, uno dei maggiori svantaggi dei sistemi quantistici è la fragilità degli strani stati dei qubit. La maggior parte dell'hardware potenziale per la tecnologia quantistica deve essere mantenuta a temperature estremamente basse, vicine allo zero kelvin, per evitare che gli stati speciali vengano distrutti dall'interazione con l'ambiente del computer.

"Qualsiasi interazione che un qubit ha con qualsiasi altra cosa nel suo ambiente inizierà a distorcere il suo stato quantistico, " disse Jacobs. "Per esempio, se l'ambiente è un gas di particelle, poi mantenerlo molto freddo fa muovere lentamente le molecole di gas, quindi non si schiantano tanto contro i circuiti quantistici."

I ricercatori hanno diretto vari sforzi per risolvere questo problema, ma una soluzione definitiva deve ancora essere trovata. Al momento, circuiti fotonici che incorporano cristalli ottici non lineari sono attualmente emersi come l'unico percorso fattibile per il calcolo quantistico con sistemi a stato solido a temperatura ambiente.

"I circuiti fotonici sono un po' come i circuiti elettrici, tranne che manipolano la luce invece dei segnali elettrici, " disse Englund. "Per esempio, possiamo creare canali in un materiale trasparente che i fotoni viaggeranno verso il basso, un po' come i segnali elettrici che viaggiano lungo i fili."

A differenza dei sistemi quantistici che utilizzano ioni o atomi per memorizzare informazioni, i sistemi quantistici che utilizzano fotoni possono aggirare la limitazione della temperatura fredda. Però, i fotoni devono ancora interagire con altri fotoni per eseguire operazioni logiche. È qui che entrano in gioco i cristalli ottici non lineari.

I ricercatori possono progettare cavità nei cristalli che intrappolano temporaneamente i fotoni all'interno. Attraverso questo metodo, il sistema quantistico può stabilire due diversi possibili stati che un qubit può contenere:una cavità con un fotone (acceso) e una cavità senza fotone (spento). Questi qubit possono quindi formare porte logiche quantistiche, che creano il quadro per gli stati strani.

In altre parole, i ricercatori possono utilizzare lo stato indeterminato della presenza o meno di un fotone in una cavità di cristallo per rappresentare un qubit. Le porte logiche agiscono su due qubit insieme, e può creare "entanglement quantistico" tra di loro. Questo entanglement viene generato automaticamente in un computer quantistico, ed è richiesto per gli approcci quantistici alle applicazioni nel rilevamento.

Però, gli scienziati hanno basato l'idea di creare porte logiche quantistiche utilizzando cristalli ottici non lineari interamente sulla speculazione, fino a questo punto. Mentre mostrava un'immensa promessa, Rimanevano dubbi sul fatto che questo metodo potesse anche portare a porte logiche pratiche.

L'applicazione dei cristalli ottici non lineari era rimasta in discussione fino a quando i ricercatori del laboratorio dell'esercito e del MIT hanno presentato un modo per realizzare una porta logica quantistica con questo approccio utilizzando componenti di circuiti fotonici consolidati.

"Il problema era che se si ha un fotone che viaggia in un canale, il fotone ha un "pacchetto d'onda" con una certa forma, " disse Jacobs. "Per una porta quantica, è necessario che i pacchetti d'onda di fotoni rimangano gli stessi dopo l'operazione del gate. Poiché le non linearità distorcono i pacchetti d'onda, la domanda era se potevi caricare il pacchetto d'onda nelle cavità, farli interagire attraverso una non linearità, e poi emettono di nuovo i fotoni in modo che abbiano gli stessi pacchetti d'onda con cui hanno iniziato."

Una volta progettata la porta logica quantistica, i ricercatori hanno eseguito numerose simulazioni al computer del funzionamento del cancello per dimostrare che potrebbe, in teoria, funzionare in modo appropriato. La costruzione effettiva di una porta logica quantistica con questo metodo richiederà innanzitutto miglioramenti significativi nella qualità di alcuni componenti fotonici, ricercatori hanno detto.

"Sulla base dei progressi compiuti nell'ultimo decennio, prevediamo che ci vorranno circa dieci anni per realizzare i miglioramenti necessari, " ha detto Heuck. "Tuttavia, il processo di caricamento ed emissione di un pacchetto d'onda senza distorsioni è qualcosa che dovremmo essere in grado di realizzare con l'attuale tecnologia sperimentale, e quindi questo è un esperimento su cui lavoreremo in seguito".

Lettere di revisione fisica ha pubblicato i risultati del team in un documento sottoposto a revisione paritaria il 20 aprile.