(Phys.org)—Un approccio promettente per il calcolo quantistico scalabile consiste nell'utilizzare un'architettura completamente ottica, in cui i qubit sono rappresentati da fotoni e manipolati da specchi e divisori di fascio. Finora, ricercatori hanno dimostrato questo metodo, chiamato calcolo quantistico ottico lineare, su scala molto ridotta eseguendo operazioni utilizzando solo pochi fotoni. Nel tentativo di estendere questo metodo a un numero maggiore di fotoni, i ricercatori in un nuovo studio hanno sviluppato un modo per integrare completamente le sorgenti a singolo fotone all'interno di circuiti ottici, creazione di circuiti quantistici integrati che possono consentire il calcolo quantistico ottico scalabile.

I ricercatori, Iman Esmaeil Zadeh, Ali W. Elshaari, e coautori, hanno pubblicato un articolo sui circuiti quantistici integrati in un recente numero di Nano lettere .

Come spiegano i ricercatori, una delle maggiori sfide che deve affrontare la realizzazione di un efficiente sistema di calcolo quantistico ottico lineare è l'integrazione di diversi componenti che di solito sono incompatibili tra loro su un'unica piattaforma. Questi componenti includono una sorgente a singolo fotone come i punti quantici; dispositivi di instradamento come guide d'onda; dispositivi per manipolare fotoni come cavità, filtri, e porte quantistiche; e rivelatori a singolo fotone.

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno dimostrato sperimentalmente un metodo per incorporare punti quantici che generano un singolo fotone all'interno di nanofili che, a sua volta, sono incapsulati in una guida d'onda. Per farlo con l'elevata precisione richiesta, hanno usato un "nanomanipolatore" costituito da una punta in tungsteno per trasferire e allineare i componenti. Una volta all'interno della guida d'onda, i singoli fotoni potrebbero essere selezionati e indirizzati a diverse parti del circuito ottico, dove eventualmente possono essere eseguite operazioni logiche.

"Abbiamo proposto e dimostrato una soluzione ibrida per l'ottica quantistica integrata che sfrutta i vantaggi delle sorgenti a singolo fotone di alta qualità con una fotonica ben sviluppata a base di silicio, "Zadeh, presso la Delft University of Technology nei Paesi Bassi, detto Phys.org . "Inoltre, questo metodo, a differenza dei lavori precedenti, è completamente deterministico, cioè., solo le sorgenti quantistiche con le proprietà selezionate sono integrate nei circuiti fotonici.

"L'approccio proposto può fungere da infrastruttura per l'implementazione di circuiti ottici quantistici integrati scalabili, che ha il potenziale per molte tecnologie quantistiche. Per di più, questa piattaforma fornisce nuovi strumenti ai fisici per studiare una forte interazione luce-materia su nanoscala e cavità QED [elettrodinamica quantistica]."

Una delle metriche più importanti delle prestazioni per il calcolo quantistico ottico lineare è l'efficienza di accoppiamento tra la sorgente a singolo fotone e il canale fotonico. Una bassa efficienza indica la perdita di fotoni, che riduce l'affidabilità del computer. La configurazione qui raggiunge un'efficienza di accoppiamento di circa il 24% (che è già considerata buona), e i ricercatori stimano che l'ottimizzazione del design e del materiale della guida d'onda potrebbe portarlo al 92%.

Oltre a migliorare l'efficienza dell'accoppiamento, in futuro i ricercatori hanno anche in programma di dimostrare l'entanglement su chip, oltre ad aumentare la complessità dei circuiti fotonici e dei rivelatori a singolo fotone.

"In definitiva, l'obiettivo è realizzare una rete quantistica completamente integrata su chip, " disse Elshaari, presso la Delft University of Technology e il Royal Institute of Technology (KTH) di Stoccolma. "In questo momento ci sono molte opportunità, e il campo non è ben esplorato, ma la messa a punto su chip delle sorgenti e la generazione di fotoni indistinguibili sono tra le sfide da superare".

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