I computer quantistici di oggi contengono fino a diverse dozzine di unità di memoria e di elaborazione, i cosiddetti qubit. Severin Daiss, Stefan Langenfeld, e i colleghi del Max Planck Institute of Quantum Optics di Garching hanno interconnesso con successo due di questi qubit situati in diversi laboratori a un computer quantistico distribuito collegando i qubit con una fibra ottica lunga 60 metri. A una tale distanza hanno realizzato un cancello logico quantistico, l'elemento base di un computer quantistico. Rende il sistema il primo prototipo mondiale di computer quantistico distribuito.

I limiti delle precedenti architetture qubit

I computer quantistici sono considerevolmente diversi dai tradizionali computer "binari":ci si aspetta che le loro realizzazioni future eseguano facilmente calcoli specifici per i quali i computer tradizionali richiederebbero mesi o addirittura anni, ad esempio nel campo della crittografia e decrittografia dei dati. Mentre le prestazioni dei computer binari derivano da grandi memorie e cicli di calcolo veloci, il successo del computer quantistico si basa sul fatto che una singola unità di memoria, un bit quantistico, chiamato anche "qubit":può contenere sovrapposizioni di diversi valori possibili contemporaneamente. Perciò, un computer quantistico non calcola solo un risultato alla volta, ma invece molti possibili risultati in parallelo. Più qubit ci sono interconnessi in un computer quantistico; i calcoli più complessi che può eseguire.

Le operazioni di calcolo di base di un computer quantistico sono porte di logica quantistica tra due qubit. Tale operazione cambia, a seconda dello stato iniziale dei qubit, i loro stati di meccanica quantistica. Affinché un computer quantistico sia superiore a un normale computer per vari calcoli, dovrebbe interconnettere in modo affidabile molte dozzine, o anche migliaia di qubit per altrettante migliaia di operazioni quantistiche. Nonostante i grandi successi, tutti i laboratori attuali stanno ancora lottando per costruire un computer quantistico così grande e affidabile, poiché ogni qubit aggiuntivo richiesto rende molto più difficile costruire un computer quantistico in una sola configurazione. I qubit sono implementati, ad esempio, con singoli atomi, elementi superconduttori, o particelle leggere, tutto ciò deve essere perfettamente isolato l'uno dall'altro e dall'ambiente. Più qubit sono disposti uno accanto all'altro, più è difficile isolarli e controllarli dall'esterno allo stesso tempo.

Linea dati e unità di elaborazione combinate

Un modo per superare le difficoltà tecniche nella costruzione di computer quantistici è presentato in un nuovo studio sulla rivista Scienza di Severin Daiss, Stefan Langenfeld e colleghi del gruppo di ricerca di Gerhard Rempe presso l'Istituto Max Planck di ottica quantistica a Garching. In questo lavoro sostenuto dall'Istituto di Scienze Fotoniche (Castelldefels, Spagna), il team è riuscito a collegare due moduli qubit su una distanza di 60 metri in modo tale da formare effettivamente un computer quantistico di base con due qubit. "Attraverso questa distanza, eseguiamo un'operazione di calcolo quantistico tra due configurazioni di qubit indipendenti in diversi laboratori, " sottolinea Daiss. Ciò consente la possibilità di unire computer quantistici più piccoli in un'unità di elaborazione congiunta.

In passato è stato ottenuto semplicemente accoppiare qubit distanti per generare entanglement tra loro, ma ora, la connessione può inoltre essere utilizzata per i calcoli quantistici. Per questo scopo, i ricercatori hanno impiegato moduli costituiti da un singolo atomo come qubit posizionato tra due specchi. Tra questi moduli, inviano un solo quanti di luce, un fotone, che viene trasportato nella fibra ottica. Questo fotone viene quindi entangled con gli stati quantistici dei qubit nei diversi moduli. Successivamente, lo stato di uno dei qubit viene modificato in base allo stato misurato del "fotone ancilla, " realizzare un'operazione CNOT meccanica quantistica con una fedeltà dell'80%. Un passo successivo sarebbe collegare più di due moduli e ospitare più qubit nei singoli moduli.

Computer quantistici ad alte prestazioni grazie al calcolo distribuito

Il leader del team e direttore dell'istituto Gerhard Rempe ritiene che il risultato consentirà di far avanzare ulteriormente la tecnologia:"Il nostro schema apre un nuovo percorso di sviluppo per il calcolo quantistico distribuito". Potrebbe consentire, ad esempio, costruire un computer quantistico distribuito composto da molti moduli con pochi qubit interconnessi con il metodo appena introdotto. Questo approccio potrebbe aggirare la limitazione dei computer quantistici esistenti per integrare più qubit in una singola configurazione e potrebbe quindi consentire sistemi più potenti.