Ci si aspetta che i futuri computer quantistici non solo risolvano compiti di elaborazione particolarmente complicati, ma siano anche collegati a una rete per lo scambio sicuro di dati. In linea di principio, le porte quantistiche potrebbero essere utilizzate per questi scopi. Ma fino ad ora non è stato possibile realizzarli con sufficiente efficienza. Grazie a una sofisticata combinazione di diverse tecniche, i ricercatori del Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) hanno ora compiuto un passo importante verso il superamento di questo ostacolo.

Per decenni, i computer sono diventati più veloci e potenti con ogni nuova generazione. Questo sviluppo consente di aprire costantemente nuove applicazioni, ad esempio nei sistemi con intelligenza artificiale. Ma sta diventando sempre più difficile ottenere ulteriori progressi con la tecnologia informatica consolidata. Per questo motivo, i ricercatori stanno ora puntando su concetti alternativi e completamente nuovi che potrebbero essere utilizzati in futuro per alcune attività informatiche particolarmente difficili. Questi concetti includono i computer quantistici.

La loro funzione non si basa sulla combinazione di zeri digitali e uno, i bit classici, come nel caso dei computer microelettronici convenzionali. Invece, un computer quantistico utilizza i bit quantistici, o qubit in breve, come unità di base per la codifica e l'elaborazione delle informazioni. Sono le controparti dei bit nel mondo quantistico, ma differiscono da essi per una caratteristica cruciale:i qubit non solo possono assumere due valori fissi o stati come zero o uno, ma anche qualsiasi valore intermedio. In linea di principio, ciò offre la possibilità di eseguire più processi di calcolo contemporaneamente invece di elaborare un'operazione logica dopo l'altra.

Comunicazione a prova di tocco con qubit ottici

"Esistono vari modi per implementare fisicamente il concetto di qubit", afferma Thomas Stolz, che ha condotto ricerche sui fondamenti dei computer quantistici presso il Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) a Garching. "Uno di questi sono i fotoni ottici". E nella loro ricerca, Stolz e i suoi colleghi del team guidato dal Dr. Stephan Dürr e dal direttore dell'MPQ, il Prof. Dr. Gerhard Rempe, hanno fatto affidamento anche su tali particelle luminose della gamma spettrale del visibile. "Un vantaggio dei fotoni come vettori di informazioni in un computer quantistico è la loro bassa interazione tra loro e con l'ambiente", spiega Stolz. "Ciò impedisce che la coerenza, necessaria per l'esistenza dei qubit, venga rapidamente distrutta da disturbi esterni". Inoltre, i fotoni possono essere trasportati su lunghe distanze, ad esempio in una fibra ottica. "Questo li rende un candidato particolarmente promettente per la costruzione di reti quantistiche", afferma Stolz:connessioni di diversi computer quantistici su cui i dati crittografati possono essere trasmessi incondizionatamente in modo sicuro e protetto in modo affidabile dai tentativi di intercettazione.

I componenti di base di un computer quantistico, e quindi anche di una rete quantistica, sono porte quantistiche. Corrispondono nella loro modalità di funzionamento alle porte logiche utilizzate nelle macchine di calcolo convenzionali, ma sono adattate alle proprietà speciali dei qubit. "Le porte quantistiche per qubit implementate in ioni intrappolati o materiali superconduttori sono attualmente le più avanzate dal punto di vista tecnico", spiega Stephan Dürr. "Tuttavia, realizzare un tale elemento con i fotoni è molto più impegnativo". Perché in questo caso, il vantaggio delle interazioni deboli si trasforma in uno svantaggio tangibile. Perché, per poter elaborare le informazioni, le particelle di luce devono essere in grado di influenzarsi a vicenda. I ricercatori dell'MPQ hanno mostrato come ciò possa essere ottenuto efficacemente in un articolo, che è stato ora pubblicato sulla rivista ad accesso aperto Physical Review X .

I precedenti tentativi di realizzare porte quantistiche che collegano tra loro due fotoni hanno avuto successo solo in parte. Hanno sofferto principalmente della loro bassa efficienza, nella migliore delle ipotesi, dell'11%. Ciò significa che una grande frazione delle particelle di luce, e quindi anche dei dati, viene persa durante l'elaborazione nel sistema quantistico, un difetto soprattutto quando numerose porte quantistiche devono essere collegate consecutivamente in una rete quantistica e le perdite si sommano come un risultato. "Al contrario, siamo riusciti per la prima volta a realizzare un gate ottico a due qubit con un'efficienza media superiore al 40%", riferisce Stephan Dürr, quasi quattro volte il record precedente.

Atomi ultrafreddi in un risuonatore

"La vera base di questo successo è stata l'uso di componenti non lineari", spiega Stolz. Sono contenuti in una nuova piattaforma sperimentale che il team di MPQ ha sviluppato appositamente per l'esperimento e installata in laboratorio. In tal modo, i ricercatori sono stati in grado di sfruttare la loro esperienza da lavori precedenti che avevano pubblicato nel 2016 e nel 2019. Una scoperta di ciò è stata che è utile per l'elaborazione delle informazioni con i fotoni utilizzare un gas atomico freddo in cui alcuni atomi sono molto eccitati energeticamente. "Gli atomi mediano la necessaria interazione tra i fotoni", spiega Stolz. "Tuttavia, il lavoro precedente ha anche dimostrato che la densità degli atomi non deve essere troppo alta, altrimenti le informazioni codificate vengono rapidamente cancellate dalle collisioni tra gli atomi". Pertanto, i ricercatori hanno ora utilizzato un gas atomico a bassa densità, che hanno raffreddato a una temperatura di 0,5 microkelvin, mezzo milionesimo di grado sopra lo zero assoluto a meno 273,15 gradi Celsius. "Come amplificatore aggiuntivo per l'interazione tra i fotoni, abbiamo posizionato gli atomi ultrafreddi tra gli specchi di un risonatore ottico", riferisce Stolz.

Ciò ha portato al successo dell'esperimento, in cui il gate quantistico ha elaborato i qubit ottici in due fasi:un primo fotone, chiamato fotone di controllo, è stato introdotto nel risonatore e lì immagazzinato. Quindi, un secondo fotone, chiamato fotone target, è entrato nella configurazione ed è stato riflesso dagli specchi del risonatore:"il momento in cui è avvenuta l'interazione", sottolinea Stolz. Infine, entrambi i fotoni hanno lasciato la porta quantistica, insieme alle informazioni impresse su di essi. Affinché ciò funzionasse, i fisici hanno usato un altro trucco. Questo si basa sulle eccitazioni elettroniche degli atomi di gas a livelli di energia molto elevati, chiamati stati di Rydberg. "Questo fa sì che l'atomo eccitato, nell'immagine classica, si espanda immensamente", spiega Stolz. Raggiunge un raggio fino a un micrometro, diverse migliaia di volte la dimensione normale dell'atomo. Gli atomi nel risonatore che vengono gonfiati in questo modo consentono quindi ai fotoni di avere un effetto sufficientemente forte l'uno sull'altro. Questo, tuttavia, inizialmente provoca solo uno sfasamento. Inoltre, la luce viene suddivisa in diversi percorsi che vengono successivamente sovrapposti. Solo l'interferenza della meccanica quantistica durante questa sovrapposizione trasforma lo sfasamento in una porta quantistica.

L'obiettivo:sistemi quantistici scalabili

L'esperimento è stato preceduto da un'elaborata analisi teorica. Il team MPQ ha sviluppato appositamente un modello teorico completo per ottimizzare il processo di progettazione della nuova piattaforma di ricerca. Ulteriori indagini teoriche mostrano i modi in cui i ricercatori sperano di migliorare l'efficienza del loro gate quantistico ottico in futuro. Vogliono anche scoprire come scalare la porta quantistica a sistemi più grandi, elaborando numerosi qubit contemporaneamente. "I nostri esperimenti finora hanno già dimostrato che questo è possibile in linea di principio", afferma Gerhard Rempe, direttore del gruppo. È convinto:"Le nostre nuove scoperte saranno di grande utilità nello sviluppo di computer quantistici basati sulla luce e reti quantistiche". + Esplora ulteriormente

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