Trasferimento quantistico con la semplice pressione di un pulsante

La trasmissione dei dati è la spina dorsale della moderna società dell'informazione, su grande e piccola scala. Su Internet, i dati vengono scambiati tra computer di tutto il mondo, di solito tramite cavi in fibra ottica. All'interno di un singolo computer, a sua volta, le informazioni devono essere costantemente inviate avanti e indietro tra i diversi processori. Uno scambio di dati affidabile è di grande importanza anche per le nuove tecnologie informatiche quantistiche attualmente in fase di sviluppo, ma è anche estremamente difficile. All'ETH di Zurigo, i fisici guidati da Andreas Wallraff del Laboratorio di Fisica dello Stato Solido sono ora riusciti a trasmettere informazioni quantistiche tra due bit quantistici distanti appena un metro, a comando e con alta qualità. I risultati sono pubblicati questa settimana sulla rivista scientifica pagina esternaLa natura.

Bit quantistici volanti

La particolarità delle tecnologie informatiche quantistiche - compresi i computer quantistici e la crittografia quantistica - è l'uso di bit quantistici o "qubit" come elemento informativo elementare. A differenza dei bit classici, i qubit non solo possono avere il valore 0 o 1, ma possono anche assumere i cosiddetti stati di sovrapposizione. Da un lato, questo rende possibile la costruzione di computer estremamente potenti che possono calcolare molto più velocemente e in modo più efficiente con questi stati di sovrapposizione rispetto ai computer convenzionali.

D'altra parte, questi stati sono anche molto sensibili e non possono essere facilmente trasmessi con i metodi convenzionali. Questo perché lo stato di un qubit stazionario deve essere prima trasformato in un qubit cosiddetto "volante", ad esempio in un fotone, e poi di nuovo in un altro qubit stazionario. Alcuni anni fa, i ricercatori sono riusciti a trasferire lo stato quantico di un atomo in questo modo. Ora Wallraff e i suoi collaboratori sono riusciti per la prima volta a realizzare un simile trasferimento da un qubit superconduttore a stato solido a un altro qubit situato a una certa distanza.

La fisica ha collegato due qubit superconduttori con un cavo coassiale, utilizzato anche per le connessioni delle antenne. Lo stato quantico del primo qubit, definito dal numero di coppie di elettroni superconduttori che contiene (note come coppie di Cooper), è stato prima trasferito a un fotone a microonde di un risonatore utilizzando impulsi a microonde controllati con estrema precisione. Il fotone poteva poi volare da questo risonatore attraverso il cavo coassiale in un secondo risonatore, dove il suo stato quantico veniva nuovamente trasferito al secondo qubit mediante impulsi a microonde. Esperimenti simili sono stati condotti di recente all'Università di Yale.

Deterministico invece che probabilistico

"La cosa importante del nostro metodo è che il trasferimento dello stato quantico avviene in modo deterministico, cioè premendo un pulsante", sottolinea Philipp Kurpiers, che lavora nel laboratorio di Wallraff come dottorando. In alcuni esperimenti precedenti è stato possibile ottenere un trasferimento di stati quantistici, ma in modo probabilistico: a volte funzionava, ma il più delle volte no. Ad esempio, una trasmissione riuscita poteva essere segnalata da un "fotone di annuncio". Se la trasmissione non funzionava, veniva semplicemente ritentata. Naturalmente, questo riduce notevolmente la velocità effettiva dei dati quantistici. I metodi deterministici, come quelli ora dimostrati all'ETH, sono quindi vantaggiosi per le applicazioni pratiche.

"La nostra velocità di trasmissione di stati quantistici è una delle più alte mai realizzate e la qualità della trasmissione è molto buona, pari all'80%", afferma Andreas Wallraff. Con l'aiuto della loro tecnologia, i ricercatori possono anche creare un entanglement quantistico meccanico tra i qubit più di 50.000 volte al secondo. La procedura di trasmissione in sé richiede meno di un milionesimo di secondo, quindi c'è ancora spazio per migliorare la velocità di trasmissione. L'entanglement meccanico quantistico crea una connessione intima tra due oggetti quantistici, anche su lunghe distanze, che viene utilizzata per tecniche di crittografia o teletrasporto quantistico.

Trasmissione quantistica per i computer quantistici

Successivamente, i ricercatori vogliono provare a utilizzare due qubit ciascuno come trasmettitore e ricevitore, il che consentirebbe, ad esempio, uno scambio di entanglement tra le coppie di qubit. Questo processo è utile per i computer quantistici più grandi, che verranno costruiti nei prossimi anni. Finora questi sono costituiti solo da pochi qubit, ma se si vogliono costruire computer più grandi, a partire da qualche centinaio di qubit si porrà il problema di come collegarli tra loro nel modo più efficace per sfruttare al meglio i vantaggi di un computer quantistico.

Analogamente ai cluster di singoli computer utilizzati oggi, i moduli di computer quantistici potrebbero essere collegati tra loro grazie alla tecnologia sviluppata da Wallraff. L'attuale distanza di trasmissione di un metro potrebbe certamente essere aumentata. Wallraff e i suoi collaboratori hanno recentemente dimostrato che un cavo estremamente raffreddato e quindi superconduttore può trasmettere fotoni a microonde con basse perdite su distanze di diverse decine di metri. Il cablaggio di un centro di calcolo quantistico sarebbe quindi perfettamente fattibile.