I computer sono fatti di chip e, in futuro, alcuni di questi chip potrebbero utilizzare la luce come ingrediente principale.
Gli scienziati della società di informatica quantistica Xanadu con sede in Ontario, Canada e il National Institute of Standards and Technology degli Stati Uniti hanno compiuto un grande passo avanti verso quel futuro costruendo un chip basato sulla luce che può essere programmato tramite l’accesso al cloud.
Mentre i computer convenzionali usano l’elettricità per creare gli uno e gli zeri che sono la loro linfa vitale, gli esperti di informatica quantistica hanno più opzioni quando sviluppano i loro bit quantistici (qubit). Alcuni si affidano ai superconduttori, alcuni iniziano con atomi estremamente freddi e altri, come i ricercatori di Xanadu, usano la luce.
Ma non una luce qualsiasi. La luce che viaggia attraverso il chip Xanadu, o circuito, è un chip delle dimensioni di una miniatura “schiacciata”. Spremere la luce è possibile grazie alla relazione di indeterminazione di Heisenberg, che afferma che cercare di rendere un oggetto microscopico molto stretto è come schiacciare un pezzo di argilla: più si restringe in una direzione, più si gonfia in un’altra.
La compressione della luce produce stati fotonici dalla forma precisa che possono essere utilizzati per misurazioni molto accurate nella fisica ottica. I ricercatori di Xanadu, tuttavia, avevano altre idee: usavano questi stati schiacciati come qubit.
Il chip di Xanadu e i calcoli ottici
Il chip di Xanadu funziona in tre fasi. Innanzitutto, la luce laser viene alimentata in quattro risonatori a microanello: minuscole tracce circolari in cui la luce si avvolge e cambia forma mentre, in effetti, cattura la propria coda. Questi risonatori agiscono come “spremiagrumi” che schiacciano molti fotoni in un unico stato schiacciato.
Successivamente, una rete di elementi ottici manipola le proprietà dei fotoni in un modo analogo a cambiare la loro direzione facendoli rimbalzare su uno specchio o cambiando il loro colore facendoli passare attraverso un filtro. Le sequenze di queste manipolazioni leggere sono l’equivalente del codice del computer.
Ogni volta che la rete fa rimbalzare o ruota la luce, esegue operazioni simili all’aggiunta di uno e zero in un computer classico.
Nella fase finale, la luce entra in un rivelatore che conta quanti fotoni ci sono all’interno di ogni stato schiacciato.
Il risultato del calcolo del computer risiede in questi numeri di fotoni. “Un particolare modello intero di conteggio dei fotoni per un particolare circuito che hai composto ti dirà qualcosa sul problema che hai codificato nel dispositivo”, afferma Zachary Vernon, un fisico di Xanadu e coautore dello studio.
Vernon spiega che questo approccio rende possibile eseguire alcuni calcoli nuovi anche per altri computer quantistici. “Ti consente di accedere a uno spazio di problemi diversi da quelli accessibili dai dispositivi qubit basati sulla materia“, afferma. In un calcolo particolarmente nuovo, gli stati compressi codificavano la forma di due grafici.
I numeri di fotoni rilevati alla fine del calcolo riflettevano quanta struttura avevano in comune quei grafici. Questa analisi della somiglianza del grafico non sarebbe facile da implementare su qualsiasi altro computer quantistico, afferma Vernon.
Le dimensioni ridotte del chip Xanadu sono un altro vantaggio chiave. Secondo Shuntaro Takeda, un fisico dell‘Università di Tokyo, in Giappone, che non era coinvolto nello studio, i precedenti esperimenti con la luce compressa richiedevano grandi tavoli pieni di elementi ottici ingombranti come specchi e lenti.
Secondo Takeda, la tecnologia di integrazione su chip come quella di Xanadu sarà indispensabile per costruire in futuro computer quantistici ottici su larga scala e per tutti gli usi.
Essere in grado di eseguire più di un calcolo è già un balzo in avanti per il calcolo quantistico basato sulla luce, afferma Zheshen Zhang, un ricercatore di informazioni quantistiche presso l’Università dell’Arizona negli Stati Uniti che non ha preso parte allo studio. Nota che dispositivi simili potevano, in passato, eseguire un solo tipo di codice e non potevano essere programmati per eseguire compiti diversi per utenti diversi. L’accessibilità del chip Xanadu tramite un servizio cloud è un ulteriore vantaggio, afferma.
Effetti della perdita di fotoni
Per rendere i loro dispositivi utili per un’ampia base di futuri programmatori quantistici, gli scienziati di Xanadu devono ancora superare alcune sfide scientifiche e ingegneristiche.
Nell’attuale configurazione, ad esempio, molti fotoni vengono persi mentre viaggiano attraverso il chip a causa di piccoli difetti nella struttura del chip. Progettare chip più perfetti e sviluppare codici che tengano conto della perdita di fotoni potrebbe essere importante per le generazioni future di questi dispositivi, afferma Zhang. I chip futuri dovranno anche gestire più informazioni, e quindi più luce, prima di poter superare i computer classici.
Un esempio di un problema in cui un computer quantistico classico e uno ottico potrebbero confrontarsi implicherebbe la simulazione del comportamento di molte molecole. “Puoi dimostrare che l’algoritmo classico di simulazione di un tale problema diventa intrattabile mentre l’algoritmo quantistico ti permetterebbe comunque di ottenere effettivamente la risposta?” chiede Zhang.
Il team di Xanadu afferma che affrontare questa domanda è il prossimo punto all’ordine del giorno. Tuttavia, hanno già misurato la quantita’ del loro dispositivo dimostrando che approssimare i suoi meccanismi con un modello classico sarebbe estremamente difficile.
