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I qubit sono un elemento fondamentale per i computer quantistici, ma sono anche notoriamente fragili, difficili da osservare senza cancellare le loro informazioni nel processo. Ora, una nuova ricerca dell'Università del Colorado Boulder e del National Institute of Standards and Technology (NIST) potrebbe essere un balzo in avanti per la gestione dei qubit con un tocco leggero.
Nello studio, un team di fisici ha dimostrato di poter leggere i segnali da un tipo di qubit chiamato qubit superconduttore utilizzando la luce laser e senza distruggere il qubit allo stesso tempo.
I risultati del gruppo potrebbero essere un passo importante verso la costruzione di un Internet quantistico, affermano i ricercatori. Una rete del genere collegherebbe dozzine o addirittura centinaia di chip quantistici, consentendo agli ingegneri di risolvere problemi che sono al di là della portata anche dei supercomputer più veloci oggi in circolazione. Potrebbero anche, in teoria, utilizzare un insieme simile di strumenti per inviare codici infrangibili su lunghe distanze.
Lo studio, che apparirà il 15 giugno sulla rivista Nature , è stato guidato da JILA, un istituto di ricerca congiunto tra CU Boulder e NIST.
"Attualmente, non c'è modo di inviare segnali quantistici tra processori superconduttori distanti come noi inviamo segnali tra due computer classici", ha affermato Robert Delaney, autore principale dello studio ed ex studente laureato alla JILA.
Delaney ha spiegato che i bit tradizionali che fanno funzionare il tuo laptop sono piuttosto limitati:possono assumere solo un valore di zero o uno, i numeri che sono alla base della maggior parte della programmazione di computer fino ad oggi. I qubit, al contrario, possono essere zeri, uno o, tramite una proprietà chiamata "sovrapposizione", esistere come zeri e uno contemporaneamente.
Ma lavorare con i qubit è anche un po' come cercare di catturare un fiocco di neve nella tua mano calda. Anche il più piccolo disturbo può far crollare quella sovrapposizione, facendoli sembrare dei bit normali.
Nel nuovo studio, Delaney e i suoi colleghi hanno dimostrato di poter aggirare quella fragilità. Il team utilizza un sottilissimo pezzo di silicio e azoto per trasformare il segnale che esce da un qubit superconduttore in luce visibile, lo stesso tipo di luce che già trasporta i segnali digitali da una città all'altra attraverso cavi in fibra ottica.
"I ricercatori hanno condotto esperimenti per estrarre la luce ottica da un qubit, ma non interrompere il qubit nel processo è una sfida", ha affermato il coautore dello studio Cindy Regal, JILA fellow e professore associato di fisica presso CU Boulder.
Salto quantico
Ci sono molti modi diversi per creare un qubit, ha aggiunto.
Alcuni scienziati hanno assemblato qubit intrappolando un atomo nella luce laser. Altri hanno sperimentato l'incorporamento di qubit in diamanti e altri cristalli. Aziende come IBM e Google hanno iniziato a progettare chip per computer quantistici utilizzando qubit realizzati da superconduttori.
I superconduttori sono materiali in cui gli elettroni possono accelerare senza resistenza. Nelle giuste circostanze, i superconduttori emetteranno segnali quantistici sotto forma di minuscole particelle di luce, o "fotoni", che oscillano alle frequenze delle microonde.
Ed è qui che inizia il problema, ha detto Delaney.
Per inviare questo tipo di segnali quantistici su lunghe distanze, i ricercatori dovrebbero prima convertire i fotoni a microonde in fotoni di luce visibile o ottici, che possono sfrecciare in relativa sicurezza attraverso reti di cavi in fibra ottica attraverso la città o persino tra le città. Ma quando si tratta di computer quantistici, ottenere tale trasformazione è complicato, ha affermato il coautore dello studio Konrad Lehnert.
In parte, ciò è dovuto al fatto che uno degli strumenti principali necessari per trasformare i fotoni a microonde in fotoni ottici è la luce laser e i laser sono la nemesi dei qubit superconduttori. Se anche un fotone vagante di un raggio laser colpisce il tuo qubit, verrà cancellato completamente.
"La fragilità dei qubit e l'incompatibilità essenziale tra superconduttori e luce laser di solito impedisce questo tipo di lettura", ha affermato Lehnert, membro del NIST e JILA.
Codici segreti
Per aggirare quell'ostacolo, il team si è rivolto a un intermediario:un sottile pezzo di materiale chiamato trasduttore elettro-ottico.
Delaney ha spiegato che il team inizia con lo zapping di quel wafer, che è troppo piccolo per essere visto senza un microscopio, con la luce laser. Quando i fotoni a microonde di un qubit colpiscono il dispositivo, oscilla e sputa fuori più fotoni, ma questi ora oscillano a una frequenza completamente diversa. La luce del microonde si accende e la luce visibile esce
Nell'ultimo studio, i ricercatori hanno testato il loro trasduttore utilizzando un vero qubit superconduttore. Hanno scoperto che il materiale sottile potrebbe raggiungere questo switcheroo mantenendo efficacemente anche quei nemici mortali, qubit e laser, isolati l'uno dall'altro. In altre parole, nessuno dei fotoni della luce laser è trapelato indietro per interrompere il superconduttore.
"Il nostro trasduttore elettro-ottico non ha molto effetto sul qubit", ha detto Delaney.
Il team non è arrivato al punto in cui può trasmettere informazioni quantistiche reali attraverso il suo trasduttore. Tra gli altri problemi, il dispositivo non è ancora particolarmente efficiente. Occorrono in media circa 500 fotoni a microonde per produrre un singolo fotone di luce visibile.
I ricercatori stanno attualmente lavorando per migliorare tale tasso. Una volta fatto, potrebbero emergere nuove possibilità nel regno quantistico. Gli scienziati potrebbero, in teoria, utilizzare un insieme simile di strumenti per inviare segnali quantistici su cavi che cancellerebbero automaticamente le loro informazioni quando qualcuno cerca di ascoltare.
Mission Impossible resa reale, insomma, e tutto grazie al sensibile qubit. + Esplora ulteriormente
