Qubit basato su fotoni, svolta nell’informatica quantistica

I ricercatori hanno aperto la strada a un modello di comunicazione qubit basato su fotoni, facilitando il controllo preciso nel trasferimento di informazioni del calcolo quantistico

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Qubit basato su fotoni, svolta nell'informatica quantistica

I ricercatori hanno aperto la strada a un modello di comunicazione qubit basato su fotoni, facilitando il controllo preciso nel trasferimento di informazioni del calcolo quantistico.

Illustrazione di un sistema quantistico (freccia argentata e orbitali gialli, verdi e viola) che interagisce con un risonatore (due specchi e un campo di luce rosa tra di loro). Inoltre, il sistema quantistico è controllato da un campo di controllo (laser verde). Un fotone (goccia luminosa rosa) è stato emesso in una fibra ottica attraverso uno degli specchi. Crediti e copyright: Benedikt Tissot
Illustrazione di un sistema quantistico (freccia argentata e orbitali gialli, verdi e viola) che interagisce con un risonatore (due specchi e un campo di luce rosa tra di loro). Inoltre, il sistema quantistico è controllato da un campo di controllo (laser verde). Un fotone (goccia luminosa rosa) è stato emesso in una fibra ottica attraverso uno degli specchi. Crediti e copyright: Benedikt Tissot

Nuovo modello di conversione qubit-fotone

I computer quantistici sono considerati il ​​prossimo grande passo evolutivo nella tecnologia dell’informazione. Ci si aspetta che risolvano problemi informatici che i computer di oggi semplicemente non sono in grado di risolvere, o che impiegherebbero molto tempo per farlo.

Gruppi di ricerca in tutto il mondo stanno lavorando per rendere il computer quantistico una realtà. Questa impresa è tutt’altro che semplice, poiché i componenti di base di un computer di questo tipo, i bit quantistici o qubit, sono estremamente fragili.

Un tipo di qubit è costituito dal momento angolare intrinseco (spin) di un singolo elettrone, che opera a livello atomico. L’interconnessione di due o più qubit è un problema complesso a causa della loro natura fragile e sensibile alla decoerenza. Allora come si può ottenere uno scambio stabile di informazioni tra essi?

Quantum resource



Qubit basati su fotoni

I due fisici di Costanza Benedikt Tissot e Guido Burkard hanno ora sviluppato un modello teorico di come lo scambio di informazioni tra qubit potrebbe avere successo utilizzando i fotoni come “mezzo di trasporto” per le informazioni quantistiche.

L’idea alla base di questa tecnologia è di convertire lo stato di spin di un elettrone, che rappresenta un qubit materiale, in un “qubit volante“, ovvero un fotone. I fotoni, essendo particelle di luce, offrono diversi vantaggi per la comunicazione quantistica.

La particolarità del nuovo modello risiede nell’utilizzo di emissioni Raman stimolate per convertire il qubit materiale in un fotone. In questo processo, un fotone “pompa” interagisce con l’elettrone, stimolando l’emissione di un secondo fotone che codifica lo stato quantistico del qubit.

Guido Burkard ha spiegato: “Stiamo proponendo un cambio di paradigma dall’ottimizzazione del controllo durante la generazione del fotone all’ottimizzazione diretta della forma temporale dell’impulso luminoso nel qubit volante”.

Benedikt Tissot ha paragonato la procedura di base a Internet: “In un computer classico abbiamo i nostri bit, che sono codificati su un chip sotto forma di elettroni. Se vogliamo inviare informazioni su lunghe distanze, il contenuto informativo dei bit viene convertito in un segnale luminoso che viene trasmesso attraverso le fibre ottiche”. La procedura dettagliata è stata pubblicata sulla rivista Physical Review Research.

Il principio dello scambio di informazioni tra qubit in un computer quantistico è molto simile: “Anche qui dobbiamo convertire le informazioni in stati che possono essere facilmente trasmessi – e i fotoni sono ideali per questo. Vogliamo controllare la direzione in cui fluiscono le informazioni, nonché quando, quanto velocemente e dove fluiscono. Ecco perché abbiamo bisogno di un sistema che consenta un elevato livello di controllo”, ha aggiunto Tissot.

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Sfide e soluzioni per lo scambio stabile di informazioni tra qubit

Il metodo dei ricercatori rende possibile questo controllo mediante emissioni Raman stimolate e potenziate dal risonatore. Dietro questo termine c’è un sistema a tre livelli, che porta ad una procedura in più fasi. Queste offrono ai fisici il controllo sul fotone che viene creato.

L’emissione Raman stimolata è un metodo consolidato in fisica. Tuttavia, utilizzarlo per inviare direttamente gli stati dei qubit è insolito. Il nuovo metodo potrebbe consentire di bilanciare le conseguenze delle perturbazioni ambientali e gli effetti collaterali indesiderati dei rapidi cambiamenti nella forma temporale dell’impulso luminoso, in modo che il trasporto delle informazioni possa essere implementato in modo più accurato.

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