I sistemi quantistici di oggi contengono fino a diverse decine di unità di memoria e di elaborazione, i cosiddetti qubit.
Severin Daiss, Stefan Langenfeld e colleghi del Max Planck Institute of Quantum Optics di Garching hanno interconnesso con successo due di questi qubit situati in diversi laboratori a un computer quantistico distribuito collegando i qubit con una fibra ottica lunga 60 metri.
Su tale distanza hanno realizzato un gate logico-quantistico – il blocco di base di un computer quantistico. Ciò rende il sistema il primo prototipo mondiale di un computer quantistico distribuito.
Sistemi quantistici: i limiti delle precedenti architetture a qubit
I computer quantistici sono considerevolmente diversi dai tradizionali computer “binari”; Ci si aspetta che le future realizzazioni di tali computer eseguano facilmente calcoli specifici per i quali i computer tradizionali richiederebbero mesi o addirittura anni. Come ad esempio nel campo della crittografia e decrittografia dei dati.
Mentre le prestazioni dei computer binari derivano da grandi memorie e cicli di calcolo veloci, il successo del computer quantistico si basa sul fatto che una singola unità di memoria – un bit quantistico, chiamato anche “qubit” – può contenere sovrapposizioni di diversi valori possibili allo stesso tempo. Pertanto, un computer quantistico non calcola solo un risultato alla volta, ma molti possibili risultati in parallelo. Più qubit sono interconnessi in un computer quantistico, più complessi sono i calcoli che può eseguire.
Le operazioni di calcolo di base di un computer quantistico sono porte logiche quantistiche tra due qubit. Tale operazione cambia – a seconda dello stato iniziale dei qubit – i loro stati meccanici quantistici. Affinché un computer quantistico sia superiore a un computer normale per vari calcoli, dovrebbe interconnettere in modo affidabile molte dozzine, o anche migliaia di qubit per altrettante migliaia di operazioni quantistiche.
Nonostante i grandi successi, tutti i laboratori esistenti stanno ancora lottando per costruire un computer quantistico così grande e affidabile; poiché ogni qubit in più richiesto rende molto più difficile costruire un computer quantistico in una sola configurazione. I qubit sono implementati, per esempio, con singoli atomi, elementi superconduttori o particelle di luce, che devono essere perfettamente isolati tra loro e dall’ambiente. Più qubit sono disposti uno accanto all’altro, più è difficile isolarli e controllarli dall’esterno allo stesso tempo.
Linea dati e unità di elaborazione combinate
Un modo per superare le difficoltà tecniche nella costruzione di computer quantistici è presentato in un nuovo studio sulla rivista Science da Severin Daiss, Stefan Langenfeld e colleghi del gruppo di ricerca di Gerhard Rempe all’Istituto Max Planck di Ottica Quantistica di Garching.
In questo lavoro sostenuto dall’Istituto di Scienze Fotoniche (Castelldefels, Spagna), il team è riuscito a collegare due moduli qubit attraverso una distanza di 60 metri in modo tale da formare effettivamente un computer quantistico di base con due qubit.
“Attraverso questa distanza, eseguiamo un’operazione di calcolo quantistico tra due setup di qubit indipendenti in diversi laboratori“, sottolinea Daiss. Questo permette la possibilità di unire computer quantistici più piccoli in un’unità di elaborazione comune.
Il semplice accoppiamento di qubit distanti per generare entanglement tra loro è realizzato in passato, ma ora, la connessione può essere utilizzata anche per i calcoli quantistici. Per questo scopo, i ricercatori hanno impiegato moduli composti da un singolo atomo come qubit che è posizionato in mezzo a due specchi. Tra questi moduli, inviano un singolo quanta di luce, un fotone, che viene trasportato nella fibra ottica.
Questo fotone è poi entangled con gli stati quantici dei qubit nei diversi moduli. Successivamente, lo stato di uno dei qubit viene cambiato in base allo stato misurato del “fotone ancilla”, realizzando un’operazione di meccanica quantistica CNOT con una fedeltà dell’80%. Un prossimo passo sarebbe quello di collegare più di due moduli e di ospitare più qubit nei singoli moduli.
Computer quantistici più performanti grazie al calcolo distribuito
Il capo del team e direttore dell’istituto Gerhard Rempe crede che il risultato permetterà di far progredire ulteriormente la tecnologia:
“Il nostro schema apre un nuovo percorso di sviluppo per il calcolo quantistico distribuito. Potrebbe permettere, per esempio, di costruire un computer quantistico distribuito composto da molti moduli con pochi qubit che sono interconnessi con il metodo appena introdotto. Questo approccio potrebbe aggirare la limitazione dei computer quantistici esistenti per integrare più qubit in una singola configurazione e potrebbe quindi consentire sistemi più potenti”.
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