Cablaggio ottico per grandi computer quantistici

Non è facile colpire un punto specifico su uno schermo con un puntatore laser durante una presentazione: anche il più piccolo tremore nervoso della mano diventa un enorme scarabocchio sullo schermo lontano. Immaginate di doverlo fare con più puntatori laser contemporaneamente. Le fisiche che vogliono costruire computer quantistici con l'aiuto di singoli atomi intrappolati hanno esattamente lo stesso problema. Anche loro devono puntare i raggi laser - centinaia o addirittura migliaia nello stesso apparecchio - per diversi metri con una precisione tale da colpire le aree in cui si trovano gli atomi, che hanno dimensioni di pochi micrometri. Qualsiasi vibrazione indesiderata nell'apparecchiatura disturba gravemente il funzionamento del computer quantistico.

All'ETH di Zurigo, Jonathan Home e i suoi collaboratori dell'Istituto di elettronica quantistica hanno dimostrato un nuovo metodo che permette di indirizzare con precisione diversi raggi laser nei punti giusti di un chip in modo così stabile da poter eseguire con gli atomi anche le operazioni quantistiche più sensibili.

I computer quantistici come obiettivo a lungo termine

Umwelt und Geomatik è un obiettivo ambizioso della fisica da oltre trent'anni. Gli ioni intrappolati in campi elettrici, cioè gli atomi caricati elettricamente, si sono dimostrati i candidati ideali per i bit o qubit quantistici utilizzati dai computer quantistici. Finora sono stati realizzati mini-computer con circa una dozzina di qubit. "Tuttavia, se si vogliono costruire computer quantistici con diverse migliaia di qubit, come probabilmente saranno necessari per applicazioni rilevanti dal punto di vista pratico, ci sono alcuni ostacoli importanti con i sistemi attuali", spiega Karan Mehta, postdoc nel laboratorio di Home e autore principale dello studio ora pubblicato sulla rivista "Nature". In particolare, si tratta di capire come guidare i fasci laser per diversi metri dal laser in un apparato a vuoto e infine con precisione millimetrica in un criostato, in cui le trappole ioniche sono raffreddate a pochi gradi sopra lo zero assoluto per ridurre al minimo le interferenze termiche.

Il setup ottico come ostacolo

"L'ottica convenzionale è già una fonte significativa di rumore ed errore nei sistemi odierni su piccola scala, e diventa sempre più difficile tenerla sotto controllo quanto più grandi diventano i computer", spiega Mehta. Più qubit si aggiungono, più complessa diventa l'ottica dei raggi laser necessari per controllare i qubit. "? qui che entra in gioco il nostro concetto", aggiunge Chi Zhang, dottorando nel gruppo di ricerca di Home: "Integrando minuscole guide d'onda nei chip su cui si trovano gli elettrodi per catturare gli ioni, possiamo guidare la luce direttamente verso gli ioni. Le vibrazioni del criostato o di altri componenti causano quindi molte meno interferenze".

I ricercatori hanno fatto produrre in un impianto commerciale di semiconduttori dei chip che contengono sia elettrodi d'oro per le trappole ioniche sia, in uno strato più profondo, guide d'onda per la luce laser. A un'estremità dei chip, fibre di vetro alimentano la luce nelle guide d'onda, che hanno una dimensione di soli 100 nanometri, collegando di fatto otticamente i chip all'interno. Ogni guida d'onda conduce a un punto specifico del chip, dove la luce viene reindirizzata agli ioni intrappolati sulla superficie.

In un articolo pubblicato qualche anno fa (da alcuni degli autori dello studio attuale, insieme a ricercatori del MIT e del Lincoln Laboratory), era già stato dimostrato che questo approccio funziona in linea di principio. Il gruppo dell'ETH ha ora sviluppato ulteriormente la tecnica, perfezionandola a tal punto da poterla utilizzare anche per realizzare porte logiche quantistiche a basso errore tra atomi diversi, un prerequisito importante per la costruzione di computer quantistici.

Porte logiche ad alta fedeltà

In un chip per computer convenzionale, le porte logiche sono utilizzate per eseguire operazioni logiche come AND o nota. Se si vuole costruire un computer quantistico, questo deve essere in grado di eseguire tali operazioni logiche sui qubit. Il problema è che le porte logiche quantistiche, che agiscono su due o più qubit, sono particolarmente sensibili alle interferenze. Questo perché creano stati meccanici quantistici fragili, noti anche come stati di entanglement, in cui due ioni si trovano in una sovrapposizione allo stesso tempo.

 

In questa sovrapposizione, una misura su uno ione influenza il risultato della misura sull'altro ione senza che i due siano a contatto diretto. L'efficacia della produzione di questi stati di sovrapposizione, ovvero la qualità delle porte logiche, è espressa dalla cosiddetta fedeltà. "Con il nuovo chip, siamo stati in grado di eseguire porte logiche con due qubit e di usarle per produrre stati di entanglement con una fedeltà che finora è stata raggiunta solo nei migliori esperimenti convenzionali", spiega Maciej Malinowski, che ha partecipato all'esperimento come dottorando.

I ricercatori hanno quindi dimostrato che il loro nuovo approccio sarà interessante per i futuri computer quantistici a trappola ionica, in quanto non solo è estremamente stabile, ma anche scalabile. Attualmente stanno studiando vari chip con cui è possibile controllare fino a dieci qubit contemporaneamente. Stanno inoltre lavorando a nuovi progetti per operazioni quantistiche veloci e precise rese possibili dal cablaggio ottico.