Due fotoni, chiamati fotone "segnale" e fotone "idler", interagiscono quando si incrociano. L'immagine mostra anche due esempi di forma d'onda bi-fotonica nel mezzo del processo di interazione. Credito:Babushkin et al.
I computer quantistici, macchine che sfruttano gli stati quantistici per eseguire calcoli e archiviare dati, potrebbero presto rivoluzionare l'industria informatica, raggiungendo velocità e prestazioni significativamente maggiori rispetto ai computer esistenti. Mentre innumerevoli aziende in tutto il mondo, tra cui Google e IBM, nonché piccole start-up, hanno iniziato a lavorare su tecnologie quantistiche, l'architettura esatta che porterà alla loro produzione di massa rimane poco chiara.
I ricercatori dell'Università Leibniz di Hannover hanno recentemente condotto uno studio teorico per studiare la possibilità di realizzare porte di qubit volanti per computer quantistici che sono insensibili alle forme d'onda dei fotoni e che preservano completamente queste forme durante l'elaborazione. Il loro articolo, pubblicato in Physical Review Letters , potrebbe servire come base per lo sviluppo di nuove porte in grado di elaborare pacchetti di onde fotoniche entangled in modo più efficace rispetto a quelli non intrecciati.
"Esistono diverse architetture candidate per lo sviluppo della tecnologia quantistica, inclusi superconduttori, trappole ioniche, stato solido, ottica e così via", ha detto a Phys.org Ihar Babushkin, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio. "Indipendentemente dall'architettura che consideriamo, i fotoni, i quanti di luce, giocheranno un ruolo importante, poiché in quasi tutte le architetture i mediatori tra i bit di informazione quantistica (qubit) sono i fotoni."
I computer quantistici ottici stanno qui separatamente, poiché i fotoni non solo mediano l'interazione tra i qubit; sono anche qubit stessi. Poiché i fotoni non sono influenzati dalla decoerenza (cioè un processo attraverso il quale l'ambiente interagisce con i qubit e cambia i loro stati quantistici, causando la perdita di informazioni che stanno archiviando), sono ideali per trasportare in sicurezza informazioni quantistiche.
"Per i fotoni, la decoerenza non è un problema perché i fotoni non interagiscono con i fotoni e interagiscono a malapena con la materia", ha spiegato Babushkin. "Tuttavia, questo diventa un problema non appena vogliamo manipolare i fotoni:la mancanza di interazione rende difficile manipolare i fotoni e quindi rende difficile eseguire calcoli quantistici. Nonostante ciò, i team di tutto il mondo continuano a condurre ricerche in questa direzione, perché fotonico l'elaborazione delle informazioni è estremamente interessante, se può essere realizzata, in quanto può essere eseguita a temperatura ambiente."
Un approccio esistente per l'elaborazione delle informazioni fotoniche è noto come "calcolo basato sulla misurazione". Questo approccio richiede solo elementi lineari, come divisori di fascio e la misurazione di fotoni ausiliari.
Un metodo alternativo è la conversione coerente di fotoni (CPC). Questa è una tecnica che amplifica le interazioni ottiche non lineari, processi attraverso i quali quattro onde vengono mescolate tra i fotoni, utilizzando un raggio laser aggiuntivo e potente.
Nonostante le loro differenze, questi due diversi approcci condividono un limite comune. Nello specifico, entrambi, come si credeva fino ad ora, richiedono in ingresso fotoni "identici" (cioè indistinguibili e non correlati tra loro nel tempo e nello spazio).
"Questo requisito è necessario perché altrimenti i fotoni diventano distinguibili, rompendo la loro interferenza quantistica", ha detto Babushkin. "Questa è una grave limitazione, poiché richiede che tutti i fotoni siano prodotti con sorgenti di fotoni completamente indipendenti ma identiche. Produrre molti fotoni identici non è un compito facile."
Nel loro articolo, Babushkin e i suoi colleghi hanno dimostrato che ciò potrebbe essere ottenuto utilizzando una variante del metodo CPC. Più specificamente, hanno teoricamente dimostrato che CPC potrebbe essere utilizzato per realizzare gate di qubit volanti che funzionano ugualmente bene per fotoni correlati, non identici e distinguibili, preservando le loro proprietà fotoniche spazio-temporali durante il funzionamento. Per fare ciò, hanno utilizzato una variante dell'approccio CPC proposto da un team della Macquarie University e dell'Imperial College.
"In questo approccio, sia i fotoni interagenti che la potente pompa laser si propagano con velocità diverse e si incontrano ad un certo punto", ha detto Babushkin. "Abbiamo mostrato che in questo caso l'interazione del fotone appare sotto forma di un forte fronte di interazione, che può essere piccolo come centinaia di attosecondi nel tempo (un attosecondo è 10 -18 di secondo) e pochi nanometri nello spazio. La dimensione di questo fronte è determinata dalla velocità massima con cui gli atomi possono reagire all'eccitazione ottica."
Babushkin e i suoi colleghi hanno mostrato che usando il loro approccio, non appena la forma d'onda (cioè la forma dell'impulso) dei fotoni interagenti è molto più grande della scala degli attosecondi, che è sempre il caso delle frequenze ottiche, i pezzi separati delle forme d'onda fotoniche sono elaborati in modo indipendente. Di conseguenza, la forma d'onda dei fotoni nel sistema rimane intatta.
"Pensiamo che il nostro risultato principale sia aver dimostrato che è possibile creare cancelli che funzionano in modo indipendente dalla forma d'onda e tollerante alla forma d'onda", ha affermato Babushkin. "Tale possibilità non era evidente, al contrario, si credeva che tali porte fossero impossibili."
In futuro, l'ipotesi introdotta da questo team di ricercatori potrebbe essere testata sperimentalmente in laboratorio, per confermare se le loro previsioni teoriche sono vere. Se lo sono, il loro lavoro potrebbe aprire la strada allo sviluppo di sistemi di elaborazione delle informazioni fotoniche più performanti.
"Come passo successivo nella nostra ricerca, cercheremo di realizzare sperimentalmente le nozioni teoriche che abbiamo introdotto", ha aggiunto Babushkin. "Se ci riusciremo, estenderemo il nostro risultato single-gate all'intero framework in cui tutti i calcoli vengono effettuati nel modo tollerante alla forma d'onda. In un futuro più lontano, questo può portare a una più facile realizzazione di computer quantistici puramente fotonici". + Esplora ulteriormente
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