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Mar 11, 2023

L’effetto ottico fa avanzare l’informatica quantistica con qubit atomici verso una nuova dimensione

June 1, 2023 This article

1 giugno 2023

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dall'Università Tecnica di Darmstadt

I fisici di Darmstadt hanno sviluppato una tecnica che potrebbe superare uno dei maggiori ostacoli nella costruzione di un computer quantistico di rilevanza pratica. Sfruttano un effetto ottico scoperto qui dal pioniere della fotografia britannico William Talbot nel 1836. Il team guidato da Malte Schlosser e Gerhard Birkl dell'Istituto di fisica applicata della Technische Universität Darmstadt presenta questo successo sulla rivista Physical Review Letters.

I computer quantistici sono in grado di risolvere determinati compiti molto più rapidamente anche dei supercomputer. Tuttavia finora sono esistiti solo prototipi con un massimo di poche centinaia di "qubit". Queste sono le unità di base dell'informazione nell'informatica quantistica, corrispondenti ai "bit" nell'informatica classica. Tuttavia, a differenza dei bit, i qubit possono elaborare i due valori "0" o "1" contemporaneamente anziché uno dopo l'altro, il che consente ai computer quantistici di eseguire numerosi calcoli in parallelo.

Per applicazioni pratiche, come l’ottimizzazione di flussi di traffico complessi, sarebbero necessari computer quantistici con molte migliaia, se non diversi milioni, di qubit. Tuttavia, l’aggiunta di qubit consuma risorse, come l’output laser, che finora ha ostacolato lo sviluppo dei computer quantistici. Il team di Darmstadt ha ora dimostrato come è possibile utilizzare l’effetto ottico Talbot per aumentare il numero di qubit da diverse centinaia a oltre diecimila senza richiedere proporzionalmente risorse aggiuntive.

I qubit possono essere realizzati in diversi modi. I giganti della tecnologia come Google, ad esempio, utilizzano elementi circuitali superconduttori prodotti artificialmente. Ma anche i singoli atomi sono eccellenti per questo scopo. Per controllarli in modo mirato, i qubit a singolo atomo devono essere tenuti in un reticolo regolare, simile a una scacchiera.

A questo scopo i fisici utilizzano solitamente un "reticolo ottico" di punti luminosi disposti regolarmente, che si forma quando i raggi laser si incrociano. "Se si desidera aumentare il numero di qubit di un certo fattore, è necessario aumentare di conseguenza anche la potenza del laser", spiega Birkl.

Il suo team produce il reticolo ottico in modo innovativo. Puntano un laser su un elemento di vetro delle dimensioni di un'unghia, su cui sono disposte minuscole lenti ottiche come su una scacchiera. Ciascuna microlente raggruppa una piccola parte del raggio laser, creando così un piano di punti focali che possono contenere atomi.

Adesso sopra si verifica l'effetto Talbot, che finora era considerato un fastidio: lo strato di punti focali si ripete più volte a intervalli uguali; vengono create quelle che sono conosciute come "immagini di sé". Pertanto un reticolo ottico in 2D diventa uno in 3D con un numero di punti luce molte volte maggiore. "Lo otteniamo gratuitamente", afferma Malte Schlosser, l'autore principale dell'opera. Vuol dire che per questo non è necessaria alcuna uscita laser aggiuntiva.

L'elevata precisione di produzione delle microlenti porta a immagini di sé disposte in modo molto regolare, che possono essere utilizzate per i qubit. I ricercatori sono riusciti infatti a caricare gli strati aggiuntivi con singoli atomi. Con la data uscita laser, sono stati creati 16 di questi strati liberi, consentendo potenzialmente più di 10.000 qubit. Secondo Schlosser in futuro sarà possibile quadruplicare la potenza con i laser convenzionali.

"Il campo delle microlenti può anche essere ulteriormente ottimizzato", spiega Birkl, ad esempio creando più punti focali con lenti più piccole. Nel prossimo futuro saranno quindi possibili 100.000 qubit e più. La scalabilità del numero di qubit mostrata dal team rappresenta un passo importante verso lo sviluppo di computer quantistici praticabili.