I ricercatori di tecnologia quantistica presso la Chalmers University of Technology sono riusciti a sviluppare una tecnica per controllare gli stati quantistici della luce in una cavità tridimensionale. Oltre a creare stati precedentemente noti, i ricercatori sono i primi in assoluto a dimostrare lo stato di fase cubica a lungo ricercato. La svolta è un passo importante verso un'efficiente correzione degli errori nei computer quantistici.

"Abbiamo dimostrato che la nostra tecnologia è alla pari con la migliore al mondo", afferma Simone Gasparinetti, capo di un gruppo di ricerca in fisica quantistica sperimentale presso Chalmers e uno degli autori senior dello studio.

Proprio come un computer convenzionale si basa su bit che possono assumere il valore 0 o 1, il metodo più comune per costruire un computer quantistico utilizza un approccio simile. I sistemi quantomeccanici con due diversi stati quantistici, noti come bit quantistici (qubit), sono usati come elementi costitutivi. A uno degli stati quantistici viene assegnato il valore 0 e all'altro il valore 1. Tuttavia, a causa dello stato quantistico di sovrapposizione, i qubit possono assumere entrambi gli stati 0 e 1 contemporaneamente, consentendo a un computer quantistico di elaborare enormi volumi di dati con la possibilità di risolvere problemi ben oltre la portata dei supercomputer di oggi.

Prima volta in assoluto per lo stato di fase cubica

Uno dei principali ostacoli alla realizzazione di un computer quantistico praticamente utile è che i sistemi quantistici utilizzati per codificare le informazioni sono soggetti a rumore e interferenze, che causano errori. La correzione di questi errori è una sfida chiave nello sviluppo dei computer quantistici. Un approccio promettente consiste nel sostituire i qubit con i risonatori, sistemi quantistici che, invece di avere solo due stati definiti, ne hanno un numero molto elevato. Questi stati possono essere paragonati a una corda di chitarra, che può vibrare in molti modi diversi. Il metodo è chiamato calcolo quantistico a variabili continue e consente di codificare i valori 1 e 0 in diversi stati quantomeccanici di un risonatore.

Tuttavia, il controllo degli stati di un risonatore è una sfida con la quale i ricercatori quantistici di tutto il mondo sono alle prese. E i risultati di Chalmers forniscono un modo per farlo. La tecnica sviluppata a Chalmers consente ai ricercatori di generare praticamente tutti gli stati quantistici della luce precedentemente dimostrati, come ad esempio gli stati del gatto di Schrödinger o di Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) e lo stato di fase cubica, uno stato precedentemente descritto solo in teoria.

"Lo stato di fase cubica è qualcosa che molti ricercatori quantistici hanno cercato di creare in pratica per vent'anni. Il fatto che ora siamo riusciti a farlo per la prima volta è una dimostrazione di quanto bene funzioni la nostra tecnica, ma la cosa più importante l'anticipo è che ci sono così tanti stati di varia complessità e abbiamo trovato una tecnica che può crearne uno qualsiasi", afferma Marina Kudra, studentessa di dottorato presso il Dipartimento di Microtecnologia e Nanoscienze e autrice principale dello studio.

Miglioramento della velocità del cancello

Il risonatore è una cavità superconduttrice tridimensionale in alluminio. Sovrapposizioni complesse di fotoni intrappolati all'interno del risonatore sono generate dall'interazione con un circuito superconduttore secondario.

Le proprietà quantomeccaniche dei fotoni sono controllate applicando un insieme di impulsi elettromagnetici chiamati porte. I ricercatori sono riusciti prima a utilizzare un algoritmo per ottimizzare una sequenza specifica di porte di spostamento semplici e porte SNAP complesse per generare lo stato dei fotoni. Quando i complessi gate si sono rivelati troppo lunghi, i ricercatori hanno trovato un modo per accorciarli utilizzando metodi di controllo ottimali per ottimizzare gli impulsi elettromagnetici.

"Il drastico miglioramento della velocità dei nostri gate SNAP ci ha permesso di mitigare gli effetti della decoerenza nel nostro controller quantistico, spingendo questa tecnologia un passo avanti. Abbiamo dimostrato di avere il pieno controllo sul nostro sistema di meccanica quantistica", afferma Simone Gasparinetti.

O, per dirla in modo più poetico:

"Ho catturato la luce in un luogo dove prospera e l'ho plasmata in forme davvero belle", afferma Marina Kudra.

Il raggiungimento di questo risultato dipendeva anche dall'elevata qualità del sistema fisico (il risonatore di alluminio stesso e il circuito superconduttore). Marina Kudra ha mostrato in precedenza come la cavità di alluminio viene creata prima fresandola e poi rendendola estremamente pulita con metodi tra cui scaldandolo a 500 gradi centigradi e lavandolo con acido e solvente. The electronics that apply the electromagnetic gates to the cavity were developed in collaboration with the Swedish company Intermodulation Products.

Research part of WACQT research program

The research was conducted at Chalmers within the framework of the Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT), a comprehensive research program, the aim of which is to make Swedish research and industry leaders in quantum technology. The initiative is led by Professor Per Delsing and a main goal is to develop a quantum computer.

"At Chalmers we have the full stack for building a quantum computer, from theory to experiment, all under one roof. Solving the challenge of error correction is a major bottleneck in the development of large-scale quantum computers, and our results are proof for our culture and ways of working," says Per Delsing. + Esplora ulteriormente

Quantum computer works with more than zero and one