I ricercatori del MIT che utilizzano bit quantistici superconduttori collegati a una linea di trasmissione a microonde hanno mostrato come i qubit possono generare su richiesta i fotoni, o particelle di luce, necessario per la comunicazione tra processori quantistici.

Il progresso è un passo importante verso il raggiungimento delle interconnessioni che consentirebbero a un sistema di calcolo quantistico modulare di eseguire operazioni a velocità esponenzialmente più veloci di quelle che i computer classici possono raggiungere.

"Il calcolo quantistico modulare è una tecnica per raggiungere il calcolo quantistico su larga scala condividendo il carico di lavoro su più nodi di elaborazione, "dice Bharath Kannan, Borsista laureato al MIT e primo autore di un articolo su questo argomento pubblicato oggi in Progressi scientifici . "Questi nodi, però, non sono generalmente co-localizzati, quindi dobbiamo essere in grado di comunicare informazioni quantistiche tra luoghi distanti".

Nei computer classici, i cavi vengono utilizzati per instradare le informazioni avanti e indietro attraverso un processore durante il calcolo. In un computer quantistico, l'informazione stessa è quantomeccanica e fragile, richiedono nuove strategie per elaborare e comunicare simultaneamente le informazioni.

"I qubit superconduttori sono una tecnologia leader oggi, ma generalmente supportano solo le interazioni locali (vicino più vicino o qubit molto vicini). La domanda è come connettersi ai qubit che si trovano in posizioni distanti, "dice William Oliver, professore associato di ingegneria elettrica e informatica, Borsista del MIT Lincoln Laboratory, direttore del Centro di ingegneria quantistica, e direttore associato del Laboratorio di Ricerca di Elettronica. "Abbiamo bisogno di interconnessioni quantistiche, idealmente basato su guide d'onda a microonde che possono guidare le informazioni quantistiche da una posizione all'altra".

Tale comunicazione può avvenire tramite la linea di trasmissione a microonde, o guida d'onda, poiché le eccitazioni memorizzate nei qubit generano coppie di fotoni, che vengono emesse nella guida d'onda e quindi viaggiano verso due nodi di elaborazione distanti. Si dice che i fotoni identici siano "entangled, " agendo come un unico sistema. Mentre viaggiano verso nodi di elaborazione distanti, possono distribuire quell'entanglement attraverso una rete quantistica.

"Generiamo i fotoni entangled su richiesta utilizzando i qubit e quindi rilasciamo lo stato entangled alla guida d'onda con un'efficienza molto elevata, essenzialmente unità, "dice Oliviero.

La ricerca riportata in Progressi scientifici la carta utilizza una tecnica relativamente semplice, dice Kannan.

"Il nostro lavoro presenta una nuova architettura per generare fotoni spazialmente entangled in un modo molto semplice, usando solo una guida d'onda e pochi qubit, che fungono da emettitori fotonici, " dice Kannan. "L'entanglement tra i fotoni può quindi essere trasferito nei processori per l'uso nella comunicazione quantistica o nei protocolli di interconnessione".

Sebbene i ricercatori abbiano affermato di non aver ancora implementato quei protocolli di comunicazione, la loro ricerca in corso è orientata in quella direzione.

"Non abbiamo ancora effettuato la comunicazione tra i processori in questo lavoro, ma piuttosto ha mostrato come possiamo generare fotoni utili per la comunicazione quantistica e l'interconnessione, " dice Kannan.

Lavori precedenti di Kannan, Oliviero, e colleghi hanno introdotto un'architettura elettrodinamica quantistica a guida d'onda utilizzando qubit superconduttori che sono essenzialmente un tipo di atomo gigante artificiale. Quella ricerca ha dimostrato come una tale architettura può eseguire calcoli quantistici a basso errore e condividere informazioni quantistiche tra i processori. Ciò si ottiene regolando la frequenza dei qubit per sintonizzare la forza di interazione qubit-guida d'onda in modo che i fragili qubit possano essere protetti dalla decoerenza indotta dalla guida d'onda per eseguire operazioni qubit ad alta fedeltà, e quindi riaggiustando la frequenza dei qubit in modo che i qubit siano in grado di rilasciare le loro informazioni quantistiche nella guida d'onda sotto forma di fotoni.

Questo articolo ha presentato la capacità di generazione di fotoni dell'architettura elettrodinamica quantistica della guida d'onda, mostrando che i qubit possono essere usati come emettitori quantistici per la guida d'onda. I ricercatori hanno dimostrato che l'interferenza quantistica tra i fotoni emessi nella guida d'onda genera entanglement, fotoni itineranti che viaggiano in direzioni opposte e possono essere utilizzati per comunicazioni a lunga distanza tra processori quantistici.

La generazione di fotoni spazialmente entangled nei sistemi ottici viene in genere ottenuta utilizzando la conversione parametrica spontanea e fotorivelatori, ma l'entanglement generato in questo modo è generalmente casuale e quindi meno utile per consentire la comunicazione su richiesta di informazioni quantistiche in un sistema distribuito.

"La modularità è un concetto chiave di qualsiasi sistema estensibile, " afferma Oliver. "Il nostro obiettivo qui è dimostrare gli elementi delle interconnessioni quantistiche che dovrebbero essere utili nei futuri processori quantistici".