Il più lungo collegamento quantistico a microonde

La collaborazione è tutto, anche nel mondo dei quanti. Per costruire potenti computer quantistici in futuro, sarà necessario combinare diversi computer quantistici più piccoli in una sorta di cluster o rete locale (LAN). Poiché tali computer lavorano con stati di sovrapposizione meccanica quantistica che contengono contemporaneamente i valori logici "0" e "1", anche le connessioni tra di essi dovranno essere "connessioni quantistiche".

Con i suoi cinque metri, la più lunga connessione quantistica a microonde finora realizzata è stata recentemente installata nel laboratorio di Andreas Wallraff, professore del Quantum Device Lab dell'ETH di Zurigo. I ricercatori hanno voluto presentare i loro risultati al meeting annuale dell'American Physical Society che si tiene in questi giorni a Denver. A causa dell'attuale situazione epidemica, la conferenza è stata annullata con poco preavviso. Gli scienziati hanno invece presentato i loro risultati in occasione di un pagina esternaconferenza sostitutiva virtuale Chi siamo sui loro risultati.

"Questa è già una pietra miliare per noi", spiega Wallraff, "perché ci permette di dimostrare che le LAN quantistiche sono possibili in linea di principio. Nei prossimi 10-20 anni, i computer quantistici probabilmente dipenderanno sempre più da questo". Sebbene attualmente esistano computer con diverse decine di bit quantistici o qubit, è quasi impossibile ospitarne diverse centinaia di migliaia nei dispositivi esistenti. Uno dei motivi è che i qubit basati su circuiti elettrici oscillanti superconduttori, come quelli utilizzati nei chip quantistici del laboratorio di Wallraff (e anche da IBM e Google), devono essere raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto, -273,15 gradi Celsius. In questo modo si sopprime l'interferenza termica, che farebbe perdere agli stati quantistici il loro carattere di sovrapposizione - noto come decoerenza - e quindi porterebbe a errori nei calcoli quantistici.

Il freddo estremo contro la decoerenza

"La sfida è stata quella di collegare due chip quantistici superconduttori per diversi metri in modo tale che gli stati di sovrapposizione possano essere scambiati tra loro con la minor decoerenza possibile", spiega Philipp Kurpiers, dottorando del gruppo di lavoro di Wallraff. Questo avviene sotto forma di fotoni a microonde, che vengono emessi da un circuito oscillante superconduttore e ricevuti da un altro. Tra un circuito e l'altro, essi attraversano una guida d'onda, ossia una cavità metallica larga pochi centimetri, che deve essere raffreddata in modo considerevole affinché gli stati quantici dei fotoni non vengano alterati.

Ciascuno dei due chip quantistici viene raffreddato a pochi centesimi di grado sopra lo zero assoluto per diversi giorni in un criostato (un frigorifero estremamente potente) con l'aiuto di elio compresso e liquido. La guida d'onda lunga cinque metri che crea la connessione quantistica è stata rivestita con diversi strati di rame. Ciascuno di questi strati funge da scudo termico per i vari livelli di temperatura del criostato: -223 gradi, -269 gradi, -272 gradi e infine -273,1 gradi. In totale, questi scudi termici pesano da soli un buon quarto di tonnellata.

Nessun esperimento "da tavolo

"? chiaro che non si tratta più di un esperimento 'da tavolo' che si può costruire su un piccolo banco di lavoro", spiega Wallraff. "? stato fatto un grande lavoro di sviluppo e l'ETH è il luogo ideale per costruire un apparato così sofisticato. ? come un mini-Cern che Chi siamo ha dovuto spendere anni per costruire prima di poter finalmente fare cose interessanti con esso". Oltre ai tre dottorandi che hanno condotto gli esperimenti, diversi ingegneri e tecnici dei laboratori dell'ETH e dell'Istituto Paul Scherrer (PSI) hanno partecipato alla produzione e alla costruzione del composto quantistico.

I fisici dell'ETH sono riusciti a dimostrare non solo che la connessione quantistica può essere raffreddata a sufficienza, ma anche che può essere utilizzata per trasmettere in modo affidabile informazioni quantistiche tra due chip quantistici. Per farlo, creano uno stato di entanglement tra i due chip Chi siamo. Tali stati di entanglement, in cui una misurazione su un qubit influenza istantaneamente il risultato della misurazione su un altro qubit, sono adatti anche per i test della ricerca fondamentale sulla meccanica quantistica. In questi test di Bell, i qubit devono essere sufficientemente distanti tra loro in modo da escludere qualsiasi trasmissione di informazioni alla velocità della luce.

Mentre Wallraff e il suo team stanno conducendo esperimenti quantistici con il nuovo composto, hanno già iniziato a lavorare su composti quantistici ancora più lunghi. Un anno fa sono riusciti a raffreddare a sufficienza un collegamento lungo dieci metri, ma senza effettuare esperimenti quantistici con esso. Ora stanno lavorando a una connessione quantistica di 30 metri, per la quale è stata appositamente preparata una stanza all'ETH.