Gli scienziati ritengono che le singole particelle di luce, o fotoni, sono ideali per l'invio di informazioni quantistiche. Codificato con dati quantistici, potrebbero letteralmente trasferire informazioni alla velocità della luce. Però, mentre i fotoni sarebbero ottimi portatori a causa della loro velocità, non amano interagire tra loro, rendendo difficile il raggiungimento dell'entanglement quantistico.

Un team di ricerca internazionale di NUST MISIS, Centro quantistico russo, lo Ioffe Institute St. Petersburg e il Karlsruhe Institute of Technology hanno ottenuto per la prima volta prove sperimentali per un'interazione efficace tra fotoni a microonde tramite qubit superconduttori. Lo studio, pubblicato in npj Materiali quantistici , potrebbe essere un passo verso l'implementazione di una memoria quantistica di lunga durata e lo sviluppo di dispositivi quantistici commerciali.

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato fotoni con la frequenza di pochi GHz e la lunghezza d'onda di pochi centimetri.

"Abbiamo usato cubiti superconduttori, che sono fondamentalmente atomi artificiali, perché hanno dimostrato di interagire fortemente con la luce. L'interazione tra gli atomi naturali e la luce naturale è debole a causa delle piccole dimensioni degli atomi naturali. I cubiti superconduttori sono costruiti dall'uomo; la loro dimensione può raggiungere fino a 0,1 mm, che permette di aumentare significativamente il loro momento di dipolo e polarità, ingegnerizzare una forte interazione tra luce e materia, " ha detto il prof. Alexey Ustinov, capo del Laboratorio per i Metamateriali Superconduttori presso NUST MISIS e Capo Gruppo presso il Russian Quantum Center, che ha co-autore dello studio.

I qubit superconduttori rappresentano una modalità qubit leader attualmente perseguita dall'industria e dal mondo accademico per le applicazioni di calcolo quantistico. Però, richiedono temperature milli-Kelvin (mK) per funzionare. Il più potente dei dispositivi quantistici superconduttori esistenti contiene meno di 100 qubit. Quando aggiungi qubit, il numero di operazioni che un computer quantistico può eseguire cresce in modo esponenziale, ma il numero massimo di qubit che possono essere integrati in un computer quantistico è limitato dalle dimensioni dei frigoriferi utilizzati per raffreddarli fino alle temperature operative. Tenendo conto di ciò, gli sforzi della comunità scientifica si sono recentemente concentrati sull'aumento della potenza di elaborazione di un computer quantistico trasmettendo segnali quantistici da un frigorifero all'altro. Per progettare questa trasmissione, gli scienziati hanno accoppiato una serie di otto qubit transmoni superconduttori a una guida d'onda comune, una struttura che guida le onde, per esempio., onde luminose.

"Utilizzando linee di polarizzazione del flusso dedicate per ogni qubit, stabiliamo il controllo sulle loro frequenze di transizione. È stato derivato e verificato sperimentalmente che più qubit ottengono un'interazione efficace mediata da fotoni a gamma infinita, che può essere sintonizzato con la distanza inter-qubit, "dice Aleksej Ustinov.

Il circuito di questo lavoro estende gli esperimenti con uno e due qubit verso un metamateriale quantistico in piena regola, aprendo così la strada ad applicazioni su larga scala nell'elettrodinamica quantistica delle guide d'onda superconduttive.