Cablaggio di circuiti quantistici con la luce

Creato e verificato l'entanglement tra microonde e campi ottici in un ambiente millikelvin con un dispositivo elettro-ottico superconduttore a impulsi ottici

I computer quantistici promettono di risolvere compiti impegnativi nella scienza dei materiali e nella crittografia (1) che in futuro rimarranno fuori dalla portata anche dei più potenti supercomputer convenzionali. Tuttavia, ciò richiederà probabilmente milioni di qubit di alta qualità a causa della necessaria correzione degli errori.

I progressi nei processori superconduttori avanzano rapidamente con un conteggio attuale di qubit di poche centinaia (2). I vantaggi di questa tecnologia sono l'elevata velocità di calcolo e la sua compatibilità con la fabbricazione di microchip, ma la necessità di temperature ultra-fredde alla fine limita le dimensioni del processore e impedisce qualsiasi accesso fisico una volta che si è raffreddato.

Un computer quantistico modulare con più nodi del processore raffreddati separatamente potrebbe risolvere questo problema. Tuttavia, i singoli fotoni a microonde, le particelle di luce che sono i vettori di informazioni nativi tra i qubit superconduttori all'interno dei processori, non sono adatti per essere inviati attraverso un ambiente a temperatura uniforme tra i processori. Il mondo a temperatura ambiente è pieno di calore, che disturba facilmente i fotoni a microonde e le loro fragili proprietà quantistiche come l'entanglement (3).

I ricercatori del gruppo Fink (4) dell'Institute of Science and Technology Austria (ISTA), insieme ai collaboratori della TU Wien (5) e della Technical University of Munich (6), hanno dimostrato un importante passo tecnologico per superare queste sfide. Per la prima volta hanno entangled microonde a bassa energia con fotoni ottici ad alta energia. Un tale stato quantico entangled di due fotoni è la base per collegare computer quantistici superconduttori tramite collegamenti a temperatura ambiente. Ciò ha implicazioni non solo per il ridimensionamento dell'hardware quantistico esistente, ma è anche necessario per realizzare interconnessioni con altre piattaforme di calcolo quantistico e per nuove applicazioni di telerilevamento quantistico. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Science (7).

Raffreddamento del rumore

Il dottor Rishabh Sahu (8), post dottorato nel gruppo Fink e uno dei primi autori del nuovo studio, spiega: «Uno dei problemi principali per qualsiasi qubit è il rumore. Il rumore può essere considerato come qualsiasi disturbo al qubit. Una delle principali fonti di rumore è il calore del materiale su cui si basa il qubit».

Il calore fa muovere rapidamente gli atomi di un materiale. Ciò è distruttivo per le proprietà quantistiche come l'entanglement e, di conseguenza, renderebbe i qubit inadatti al calcolo. Pertanto, per rimanere funzionante, un computer quantistico deve avere i suoi qubit isolati dall'ambiente, raffreddati a temperature estremamente basse e mantenuti nel vuoto per preservarne le proprietà quantistiche.

Per i qubit superconduttori, ciò avviene in uno speciale dispositivo cilindrico che pende dal soffitto, chiamato “frigorifero a diluizione” in cui avviene la parte “quantistica” del calcolo. I qubit in fondo sono raffreddati fino a pochi millesimi di grado sopra la temperatura dello zero assoluto, a circa -273 gradi Celsius. Sahu aggiunge con entusiasmo: «Questo rende questi frigoriferi nei nostri laboratori i luoghi più freddi dell'intero universo, persino più freddi dello spazio stesso».

Il frigorifero deve raffreddare continuamente i qubit, ma più qubit e cablaggio di controllo associato vengono aggiunti, più calore viene generato e più difficile è mantenere freddo il computer quantistico. «La comunità scientifica prevede che a circa 1.000 qubit superconduttori in un singolo computer quantistico, raggiungiamo i limiti del raffreddamento», avverte Sahu. «Il solo ridimensionamento non è una soluzione sostenibile per costruire computer quantistici più potenti». Macchine più grandi sono in fase di sviluppo, ma ogni assemblaggio e raffreddamento diventa quindi paragonabile a un lancio di un razzo, in cui scopri i problemi solo quando il processore è freddo e senza la possibilità di intervenire e correggere tali problemi».

Onde quantiche

«Se un frigorifero a diluizione non può raffreddare sufficientemente più di mille qubit superconduttori contemporaneamente, dobbiamo collegare diversi computer quantistici più piccoli per lavorare insieme», spiega il dottor Liu Qiu, post dottorato del gruppo Fink e altro primo autore del nuovo studio. «Avremmo bisogno di una rete quantistica».

Collegare insieme due computer quantistici superconduttori, ciascuno con il proprio frigorifero a diluizione, non è così semplice come collegarli con un cavo elettrico. La connessione richiede una considerazione speciale per preservare la natura quantistica dei qubit.

I qubit superconduttori funzionano con minuscole correnti elettriche che si muovono avanti e indietro in un circuito a frequenze circa dieci miliardi di volte al secondo. Interagiscono usando fotoni a microonde, particelle di luce. Le loro frequenze sono simili a quelle utilizzate dai cellulari.

Il problema è che anche una piccola quantità di calore disturberebbe facilmente i singoli fotoni a microonde e le loro proprietà quantistiche necessarie per connettere i qubit in due computer quantistici separati. Passando attraverso un cavo all'esterno del frigorifero, il calore dell'ambiente li renderebbe inutilizzabili.

«Invece dei fotoni a microonde soggetti a rumore di cui abbiamo bisogno per eseguire i calcoli all'interno del computer quantistico, vogliamo utilizzare fotoni ottici con frequenze molto più elevate simili alla luce visibile per mettere in rete i computer quantistici insieme», spiega Qiu. «Questi fotoni ottici sono dello stesso tipo inviati attraverso le fibre ottiche che forniscono Internet ad alta velocità nelle nostre case. Questa tecnologia è ben nota e molto meno suscettibile al rumore del calore. La sfida era come far interagire i fotoni a microonde con i fotoni ottici e come intrappolarli».

Luce che divide

Nel loro nuovo studio, i ricercatori hanno utilizzato uno speciale dispositivo elettro-ottico: un risonatore ottico costituito da un cristallo non lineare, che cambia le sue proprietà ottiche in presenza di un campo elettrico. Una cavità superconduttrice ospita questo cristallo e migliora questa interazione.

Sahu e Qiu hanno utilizzato un laser per inviare miliardi di fotoni ottici nel cristallo elettro-ottico per una frazione di microsecondo. In questo modo, un fotone ottico si divide in una coppia di nuovi fotoni entangled: uno ottico con energia solo leggermente inferiore a quello originale e un fotone a microonde con energia molto inferiore.

«La sfida di questo esperimento era che i fotoni ottici hanno circa 20.000 volte più energia dei fotoni a microonde», spiega Sahu, «e portano molta energia e quindi calore nel dispositivo che può quindi distruggere le proprietà quantistiche del microonde fotoni. Abbiamo lavorato per mesi per modificare l'esperimento e ottenere le misurazioni corrette». Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno costruito un dispositivo superconduttore più ingombrante rispetto ai tentativi precedenti. Ciò non solo evita una rottura della superconduttività, ma aiuta anche a raffreddare il dispositivo in modo più efficace e a mantenerlo freddo durante i brevi periodi di tempo degli impulsi laser ottici.

«La svolta è che i due fotoni che lasciano il dispositivo, il fotone ottico e quello a microonde, sono entangled», spiega Qiu. «Ciò è stato verificato misurando le correlazioni tra le fluttuazioni quantistiche dei campi elettromagnetici dei due fotoni che sono più forti di quanto possa essere spiegato dalla fisica classica».

«Ora siamo i primi ad entangle fotoni di scale di energia così diverse». Fink afferma: «Questo è un passaggio chiave per la creazione di una rete quantistica e utile anche per altre tecnologie quantistiche, come il rilevamento quantistico».

Riferimenti:

(1) Quantum computing could break the internet. This is how

(2) IBM Unveils 433-Qubit Osprey Chip

(3) Entanglement Made Simple

(4) Fink Group

(5) TU Wien

(6) Technical University of Munich

(7) Entangling microwaves with light

(8) Rishabh Sahu

Descrizione foto: Rappresentazione artistica del dispositivo sperimentale con i fotoni ottici del fascio (rosso) che entrano ed escono dal cristallo elettro-ottico e risuonano all'interno della sua porzione circolare, nonché i fotoni a microonde generati (blu) che lasciano il dispositivo. La configurazione sperimentale con il frigorifero a diluizione, la cavità superconduttiva e il cristallo elettro-ottico che divide e intrappola i fotoni. Sono dotati di una varietà unica di proprietà come l'entanglement. L'entanglement è importante per i computer quantistici perché consente loro di eseguire calcoli in un modo impossibile per i computer non quantistici.- Credit: Eli Krantz, Krantz NanoArt, Mark Belan/ISTA.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Wiring up Quantum Circuits with Light