Nell'ambito di una ricerca che potrebbe dare impulso al lavoro verso l'Internet quantistico, i ricercatori del MIT e dell'Università di Cambridge hanno costruito e testato un dispositivo estremamente piccolo che potrebbe consentire il flusso rapido ed efficiente di informazioni quantistiche su grandi distanze.
La chiave del dispositivo è un "microchiplet" fatto di diamante in cui alcuni atomi di carbonio del diamante vengono sostituiti con atomi di stagno. Gli esperimenti del team indicano che il dispositivo, costituito da guide d'onda per la luce che trasportano le informazioni quantistiche, risolve un paradosso che ha ostacolato l'arrivo di reti quantistiche grandi e scalabili.
Le informazioni quantistiche sotto forma di bit quantistici, o qubit, vengono facilmente interrotte dal rumore ambientale, come i campi magnetici, che distruggono le informazioni. Quindi, da un lato, è auspicabile avere qubit che non interagiscano fortemente con l'ambiente. D'altro canto, però, questi qubit devono interagire fortemente con la luce, o i fotoni, fondamentali per trasportare le informazioni a distanze.
I ricercatori del MIT e di Cambridge consentono entrambe le cose cointegrando due diversi tipi di qubit che lavorano in tandem per salvare e trasmettere informazioni. Inoltre, il team segnala un'elevata efficienza nel trasferimento di tali informazioni.
"Questo è un passo fondamentale in quanto dimostra la fattibilità dell'integrazione di qubit elettronici e nucleari in un microchiplet. Questa integrazione risponde alla necessità di preservare l'informazione quantistica su lunghe distanze mantenendo una forte interazione con i fotoni. Ciò è stato possibile attraverso la combinazione dei punti di forza di i team dell'Università di Cambridge e del MIT", afferma Dirk Englund, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS) del MIT e leader del team del MIT. Englund è anche affiliato al Laboratorio di ricerca sui materiali del MIT.
Il professor Mete Atatüre, leader del team di Cambridge, afferma:"I risultati sono il risultato di un forte sforzo di collaborazione tra i due gruppi di ricerca nel corso degli anni. È bello vedere la combinazione di previsione teorica, fabbricazione di dispositivi e implementazione di nuovi controlli ottici quantistici in un unico lavoro."
Il lavoro è stato pubblicato su Nature Photonics .
Un bit di computer può essere pensato come qualsiasi cosa con due diversi stati fisici, come "acceso" e "spento", per rappresentare zero e uno. Nello strano mondo ultra-piccolo della meccanica quantistica, un qubit "ha la proprietà extra che invece di trovarsi in uno solo di questi due stati, può trovarsi in una sovrapposizione dei due stati. Quindi può trovarsi in entrambi gli stati". allo stesso tempo", dice Martínez. Più qubit entangled o correlati tra loro possono condividere molte più informazioni rispetto ai bit associati al calcolo convenzionale. Da qui la potenziale potenza dei computer quantistici.
Esistono molti tipi di qubit, ma due tipi comuni sono basati sullo spin, ovvero sulla rotazione di un elettrone o di un nucleo (da sinistra a destra o da destra a sinistra). Il nuovo dispositivo coinvolge sia qubit elettronici che nucleari.
Un elettrone rotante, o qubit elettronico, è molto bravo a interagire con l’ambiente, mentre il nucleo rotante di un atomo, o qubit nucleare, non lo è. "Abbiamo combinato un qubit noto per interagire facilmente con la luce con un qubit noto per essere molto isolato e quindi preservare le informazioni per lungo tempo. Combinando questi due, pensiamo di poter ottenere il meglio da entrambi i mondi", afferma Martínez.
Come funziona? "L'elettrone [qubit elettronico] che sfreccia nel diamante può rimanere bloccato nel difetto dello stagno", afferma Harris. E questo qubit elettronico può quindi trasferire le sue informazioni al nucleo di stagno rotante, il qubit nucleare.
"L'analogia che mi piace usare è il sistema solare", continua Harris. "Abbiamo il sole nel mezzo, che è il nucleo di stagno, e poi c'è la Terra che gli gira attorno, e questo è l'elettrone. Possiamo scegliere di memorizzare le informazioni nella direzione della rotazione della Terra, questo è il nostro qubit elettronico. Oppure possiamo memorizzare l'informazione nella direzione del sole, che ruota attorno al proprio asse. Questo è il qubit nucleare."
In generale, quindi, la luce trasporta le informazioni attraverso una fibra ottica al nuovo dispositivo, che comprende una pila di diverse minuscole guide d’onda diamantate, ciascuna circa 1.000 volte più piccola di un capello umano. Diversi dispositivi, quindi, potrebbero fungere da nodi che controllano il flusso di informazioni nell'Internet quantistico.
Il lavoro descritto in Nature Photonics prevede esperimenti con un dispositivo. "Alla fine, però, potrebbero essercene centinaia o migliaia su un microchip", afferma Martínez. In uno studio del 2020 pubblicato su Nature , i ricercatori del MIT, tra cui molti degli attuali autori, hanno descritto la loro visione dell'architettura che consentirà l'integrazione su larga scala dei dispositivi.
Harris osserva che il suo lavoro teorico aveva previsto una forte interazione tra il nucleo di stagno e il qubit elettronico in arrivo. "Era dieci volte più grande di quanto ci aspettassimo, quindi ho pensato che il calcolo fosse probabilmente sbagliato. Poi è arrivato il team di Cambridge e l'ha misurato, ed è stato bello vedere che la previsione è stata confermata dall'esperimento."
Martínez concorda:"La teoria e gli esperimenti alla fine ci hanno convinto che [queste interazioni] stavano realmente accadendo."
Ulteriori informazioni: Ryan A. Parker et al, Un'interfaccia nanofotonica di diamante con un registro di spin elettronucleare deterministico accessibile otticamente, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01332-8
Informazioni sul giornale: Fotonica della natura , Natura
Fornito da Materials Research Laboratory, Massachusetts Institute of Technology
