Il segreto per costruire computer quantistici superconduttori con un'enorme potenza di elaborazione potrebbe essere una normale tecnologia di telecomunicazioni:la fibra ottica.

I fisici del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno misurato e controllato un bit quantico superconduttore (qubit) utilizzando fibre conduttrici di luce invece di cavi elettrici metallici, spianando la strada per impacchettare un milione di qubit in un computer quantistico anziché solo poche migliaia. La dimostrazione è descritta nel numero del 25 marzo di Natura .

I circuiti superconduttori sono una tecnologia leader per la realizzazione di computer quantistici perché sono affidabili e facilmente prodotti in serie. Ma questi circuiti devono funzionare a temperature criogeniche, e gli schemi per collegarli all'elettronica a temperatura ambiente sono complessi e soggetti a surriscaldamento dei qubit. Un computer quantistico universale, in grado di risolvere qualsiasi tipo di problema, dovrebbe aver bisogno di circa 1 milione di qubit. I criostati convenzionali, i frigoriferi a diluizione superfreddi, con cablaggio in metallo possono supportare al massimo migliaia di persone.

Fibra ottica, la spina dorsale delle reti di telecomunicazioni, ha un nucleo in vetro o plastica che può trasportare un elevato volume di segnali luminosi senza condurre calore. Ma i computer quantistici superconduttori utilizzano impulsi a microonde per memorizzare ed elaborare le informazioni. Quindi la luce deve essere convertita precisamente in microonde.

Risolvere questo problema, I ricercatori del NIST hanno combinato la fibra con alcuni altri componenti standard che convertono, convogliare e misurare la luce a livello delle singole particelle, o fotoni, che potrebbero poi essere facilmente convertiti in microonde. Il sistema ha funzionato così come il cablaggio metallico e ha mantenuto i fragili stati quantici del qubit.

"Penso che questo progresso avrà un grande impatto perché combina due tecnologie totalmente diverse, fotonica e qubit superconduttori, per risolvere un problema molto importante, "Il fisico del NIST John Teufel ha affermato. "La fibra ottica può anche trasportare molti più dati in un volume molto più piccolo rispetto al cavo convenzionale".

Normalmente, i ricercatori generano impulsi a microonde a temperatura ambiente e poi li consegnano attraverso cavi metallici coassiali a qubit superconduttori mantenuti criogenicamente. La nuova configurazione del NIST utilizzava una fibra ottica invece del metallo per guidare i segnali luminosi ai fotorilevatori criogenici che convertivano i segnali in microonde e li consegnavano al qubit. A scopo di confronto sperimentale, le microonde potrebbero essere indirizzate al qubit attraverso il collegamento fotonico o una normale linea coassiale.

Il qubit "transmon" utilizzato nell'esperimento della fibra era un dispositivo noto come giunzione Josephson incorporato in un serbatoio o cavità tridimensionale. Questa giunzione è costituita da due metalli superconduttori separati da un isolante. In determinate condizioni una corrente elettrica può attraversare la giunzione e può oscillare avanti e indietro. Applicando una certa frequenza delle microonde, i ricercatori possono guidare il qubit tra gli stati a bassa energia e quelli eccitati (1 o 0 nel calcolo digitale). Questi stati si basano sul numero di coppie di Cooper, coppie legate di elettroni con proprietà opposte, che si sono "tunnelate" attraverso la giunzione.

Il team del NIST ha condotto due tipi di esperimenti, utilizzando il collegamento fotonico per generare impulsi a microonde che misuravano o controllavano lo stato quantistico del qubit. Il metodo si basa su due relazioni:la frequenza alla quale le microonde rimbalzano naturalmente avanti e indietro nella cavità, chiamata frequenza di risonanza, dipende dallo stato del qubit. E la frequenza alla quale il qubit cambia stato dipende dal numero di fotoni nella cavità.

I ricercatori generalmente hanno iniziato gli esperimenti con un generatore di microonde. Per controllare lo stato quantistico del qubit, dispositivi chiamati modulatori elettro-ottici convertivano le microonde in frequenze ottiche più elevate. Questi segnali luminosi sono passati attraverso la fibra ottica dalla temperatura ambiente a 4K (meno 269 C o meno 452 F) fino a 20 milliKelvin (millesimi di Kelvin) dove sono atterrati in fotorivelatori a semiconduttore ad alta velocità, che ha riconvertito i segnali luminosi in microonde che sono stati poi inviati al circuito quantistico.

In questi esperimenti, i ricercatori hanno inviato segnali al qubit alla sua frequenza di risonanza naturale, per metterlo nello stato quantico desiderato. Il qubit oscillava tra il suo stato fondamentale e quello eccitato quando c'era una potenza laser adeguata.

Per misurare lo stato del qubit, i ricercatori hanno utilizzato un laser a infrarossi per lanciare la luce a un livello di potenza specifico attraverso i modulatori, fibra e fotorivelatori per misurare la frequenza di risonanza della cavità.

I ricercatori hanno iniziato a far oscillare il qubit, con la potenza del laser soppressa, e poi ha usato il collegamento fotonico per inviare un debole impulso a microonde alla cavità. La frequenza della cavità indicava accuratamente lo stato del qubit il 98% delle volte, la stessa precisione ottenuta utilizzando la normale linea coassiale.

I ricercatori immaginano un processore quantistico in cui la luce nelle fibre ottiche trasmette segnali da e verso i qubit, con ogni fibra che ha la capacità di trasportare migliaia di segnali da e verso il qubit.