Secondo un comunicato apparso sito dell’esercito statunitense, i circuiti quantistici, quelli che comporranno i computer quantistici del futuro, non avranno più bisogno di temperature molto fredde per essere attivati e per funzionare già in un decennio circa. Si tratta di un annuncio a sorpresa in quanto per diversi esperti la cosiddetta tecnologia quantistica a stato solido, quella che funziona a temperatura ambiente, sembra ancora relativamente remota.
Una delle metodologie che promettevano di più in tal senso era l’uso di cristalli trasparenti con non linearità ottiche, una tecnologia considerata tra le più promettenti proprio per quanto riguarda l’utilizzo di circuiti quantistici a temperatura ambiente. Tuttavia la stessa plausibilità di un sistema del genere è stata sempre messa in discussione. Almeno fino ad ora: gli scienziati guidati da Kurt Jacobs, ricercatore di uno dei tanti laboratori dell’esercito americano, dimostrano la fattibilità di una porta logica quantica fatta da circuiti fotonici cristalli ottici.
“Se i futuri dispositivi che utilizzano tecnologie quantistiche richiederanno il raffreddamento a temperature molto fredde, questo li renderà costosi, ingombranti e affamati di energia”, spiega Mikkel Heuck, un altro dei ricercatori impegnati nel progetto. “La nostra ricerca è finalizzata allo sviluppo di futuri circuiti fotonici che saranno in grado di manipolare l’entanglement richiesto per i dispositivi quantistici a temperatura ambiente.”
Le prime applicazioni di una tecnologia quantistica del genere potrebbero arrivare non solo nel campo dell’informatica ma anche in quello delle comunicazioni del telerilevamento. I computer quantistici dovrebbero essere infatti molto più efficienti dei computer classici in quanto memorizzano i dati in qubit. Questi ultimi possono trovarsi in uno stato in cui possono essere, allo stesso tempo, accesi o spenti e ciò permette ad un computer quantistico di fornire risposte e di eseguire compiti in maniera molto più parallela di un computer classico, cosa che lo rende molto più veloce. Il problema principale dei computer quantici si sta nel fatto che l’hardware è che lo compone deve funzionare a temperature molto fredde, vicine allo zero kelvin, per evitare danneggiamenti o interazioni degli stessi con l’ambiente.
“Qualsiasi interazione che un qubit ha con qualsiasi altra cosa nel suo ambiente inizierà a distorcere il suo stato quantico”, spiega Jacobs. “Ad esempio, se l’ambiente è un gas di particelle, mantenerlo molto freddo fa sì che le molecole di gas si muovano più lentamente, quindi non si schiantino nei circuiti quantistici.”
È proprio per evitare di dover far funzionare componenti a queste temperature che gli scienziati hanno pensato all’utilizzo di circuiti fotonici che incorporano cristalli ottici non lineari. Attualmente questa tecnologia sembra l’unica via possibile per realizzare davvero computer quantistici che possano funzionare a temperatura ambiente.
Come spiega ancora Englund, i circuiti fotonici somigliano in un certo senso ai circuiti elettrici solo che manipolano la luce e non l’elettricità. Proprio per questo si possono creare dei canali attraverso i quali i fotoni possano viaggiare verso il basso, proprio come i segnali elettrici si spostano attraverso i figli.
Tuttavia, per far interagire i fotoni con gli altri fotoni onde eseguire operazioni logiche, c’è bisogno di cristalli ottici non lineari. Questi cristalli permettono di intrappolare temporaneamente i fotoni all’interno di cavità. In questo modo il sistema quantistico può stabilire due diversi stati: una cavità con fotone acceso e una cavità con fotone spento (senza fotone). Grazie a questi qubit si possono quindi formare porte logiche quantistiche. In sostanza i ricercatori usano uno stato indeterminato della presenza o della non presenza di uno fotone in una cavità cristallina onde rappresentare il qubit.
“Sulla base dei progressi compiuti nell’ultimo decennio, prevediamo che ci vorranno circa dieci anni per realizzare i necessari miglioramenti”, spiega ancora Heuck. “Tuttavia, il processo di caricamento ed emissione di un pacchetto di onde senza distorsioni è qualcosa che dovremmo essere in grado di realizzare con l’attuale tecnologia sperimentale, e quindi è un esperimento su cui lavoreremo successivamente”.
Approfondimenti
- Phys. Rev. Lett. 124, 160501 (2020) – Controlled-Phase Gate Using Dynamically Coupled Cavities and Optical Nonlinearities (IA) (DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.160501)
