Gli scienziati hanno creato un processore riprogrammabile basato sulla luce, una novità mondiale, che secondo loro potrebbe inaugurare una nuova era dell'informatica e della comunicazione quantistica.
Le tecnologie in questi campi emergenti che operano a livello atomico stanno già realizzando grandi vantaggi per la scoperta di farmaci e altre applicazioni su piccola scala.
In futuro, i computer quantistici su larga scala promettono di essere in grado di risolvere problemi complessi che sarebbero impossibili per i computer di oggi.
Il ricercatore capo, il professor Alberto Peruzzo della RMIT University in Australia, ha affermato che il processore del team, un dispositivo fotonico che utilizza particelle di luce per trasportare informazioni, potrebbe aiutare a consentire calcoli quantistici di successo riducendo al minimo le "perdite di luce".
"Il nostro progetto rende il computer quantistico fotonico quantistico più efficiente in termini di perdite di luce, il che è fondamentale per poter continuare il calcolo", ha affermato Peruzzo, che dirige il nodo ARC Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T). presso RMIT.
"Se perdi luce, devi ricominciare il calcolo."
Altri potenziali progressi includono migliori capacità di trasmissione dei dati per sistemi di comunicazione "inattaccabili" e applicazioni di rilevamento avanzate nel monitoraggio ambientale e nell'assistenza sanitaria, ha affermato Peruzzo.
Il team ha riprogrammato un processore fotonico in una serie di esperimenti, ottenendo prestazioni equivalenti a 2.500 dispositivi, applicando tensioni variabili. I loro risultati e le loro analisi sono pubblicati su Nature Communications .
"Questa innovazione potrebbe portare a una piattaforma più compatta e scalabile per i processori fotonici quantistici", ha affermato Peruzzo.
Yang Yang, autore principale e Ph.D. RMIT. lo studioso ha affermato che il dispositivo era "completamente controllabile", consentiva una rapida riprogrammazione con un consumo energetico ridotto e ha sostituito la necessità di realizzare molti dispositivi su misura.
"Abbiamo dimostrato sperimentalmente diverse dinamiche fisiche su un singolo dispositivo", ha affermato.
"È come avere un interruttore per controllare il comportamento delle particelle, il che è utile sia per comprendere il mondo quantistico sia per creare nuove tecnologie quantistiche."
Il professor Mirko Lobino dell'Università di Trento in Italia ha realizzato l'innovativo dispositivo fotonico utilizzando un cristallo chiamato niobato di litio, mentre il professor Yogesh Joglekar dell'Indiana University Purdue University Indianapolis negli Stati Uniti ha portato la sua esperienza nella fisica della materia condensata.
Il niobato di litio ha proprietà ottiche ed elettro-ottiche uniche, che lo rendono ideale per varie applicazioni in ottica e fotonica.
"Il mio gruppo è stato coinvolto nella fabbricazione del dispositivo, il che è stato particolarmente impegnativo perché abbiamo dovuto miniaturizzare un gran numero di elettrodi sopra le guide d'onda per raggiungere questo livello di riconfigurabilità", ha affermato Lobino.
"I processori fotonici programmabili offrono una nuova strada per esplorare una serie di fenomeni in questi dispositivi che potrebbero potenzialmente sbloccare incredibili progressi nella tecnologia e nella scienza", ha affermato Joglekar.
Nel frattempo, il team di Peruzzo ha anche sviluppato un sistema ibrido primo al mondo che combina l'apprendimento automatico con la modellazione per programmare processori fotonici e aiutare a controllare i dispositivi quantistici.
Peruzzo ha affermato che il controllo di un computer quantistico è fondamentale per garantire l'accuratezza e l'efficienza dell'elaborazione dei dati.
"Una delle maggiori sfide per la precisione dell'output del dispositivo è il rumore, che descrive l'interferenza nell'ambiente quantistico che influisce sulle prestazioni dei qubit", ha affermato.
I qubit sono le unità di base dell'informatica quantistica.
"Ci sono tutta una serie di settori che stanno sviluppando l'informatica quantistica su vasta scala, ma stanno ancora lottando contro gli errori e le inefficienze causati dal rumore", ha affermato Peruzzo.
I tentativi di controllare i qubit in genere si basavano su ipotesi su cosa fosse il rumore e cosa lo causasse, ha detto Peruzzo.
"Invece di fare supposizioni, abbiamo sviluppato un protocollo che utilizza l'apprendimento automatico per studiare il rumore, utilizzando anche la modellazione per prevedere cosa fa il sistema in risposta al rumore", ha affermato.
Con l'uso dei processori fotonici quantistici, Peruzzo ha affermato che questo metodo ibrido potrebbe aiutare i computer quantistici a funzionare in modo più preciso ed efficiente, influenzando il modo in cui controlliamo i dispositivi quantistici in futuro.
"Crediamo che il nostro nuovo metodo ibrido abbia il potenziale per diventare l'approccio di controllo tradizionale nell'informatica quantistica", ha affermato Peruzzo.
L'autore principale, il dottor Akram Youssry, dell'RMIT, ha affermato che i risultati dell'approccio appena sviluppato hanno mostrato un miglioramento significativo rispetto ai metodi tradizionali di modellazione e controllo e potrebbero essere applicati ad altri dispositivi quantistici oltre ai processori fotonici.
"Il metodo ci ha aiutato a scoprire e comprendere aspetti dei nostri dispositivi che vanno oltre i modelli fisici conosciuti di questa tecnologia", ha affermato.
"Questo ci aiuterà a progettare dispositivi ancora migliori in futuro."
"Identificazione e controllo del sistema quantistico greybox sperimentale" è pubblicato su npj Quantum Information .
Peruzzo ha affermato che attorno alla progettazione di dispositivi fotonici e al metodo di controllo quantistico del suo team potrebbero nascere startup nel campo dell'informatica quantistica, che continuerebbero a studiare in termini di applicazioni e del loro "pieno potenziale".
"La fotonica quantistica è una delle industrie quantistiche più promettenti perché l'industria della fotonica e le infrastrutture di produzione sono molto ben consolidate", ha affermato.
"Gli algoritmi di apprendimento automatico quantistico presentano potenziali vantaggi rispetto ad altri metodi in determinate attività, soprattutto quando si ha a che fare con set di dati di grandi dimensioni."
"Immagina un mondo in cui i computer funzionano milioni di volte più velocemente di oggi, dove possiamo inviare informazioni in modo sicuro senza timore che vengano intercettate e dove possiamo risolvere in pochi secondi problemi che attualmente richiederebbero anni."
"Questa non è solo fantasia:è il potenziale futuro alimentato dalle tecnologie quantistiche e la ricerca come la nostra sta aprendo la strada."
Ulteriori informazioni: Akram Youssry et al, Identificazione e controllo del sistema quantistico sperimentale in greybox, Informazioni quantistiche npj (2024). DOI:10.1038/s41534-023-00795-5
Yang Yang et al, Hamiltoniano programmabile ad alta dimensione in una matrice di guide d'onda fotoniche, Comunicazioni naturali (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44185-z
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura , Informazioni quantistiche npj
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