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Verso un Internet quantistico
La promessa dei computer quantistici è straordinariamente grande: risoluzione dei problemi quasi istantanea e trasmissione dei dati perfettamente sicura. Per la maggior parte, tuttavia, le dimostrazioni su piccola scala del calcolo quantistico rimangono isolate nei laboratori di tutto il mondo. Ora, Prem Kumar , professore di ingegneria elettrica e informatica presso la Northwestern University, ha fatto un passo avanti per rendere più pratico il calcolo quantistico. Kumar e il suo team hanno dimostrato di poter costruire una porta logica quantistica, un componente fondamentale di un computer quantistico, all'interno di una fibra ottica. Il cancello potrebbe essere parte di un circuito che trasmette informazioni in modo sicuro, su centinaia di chilometri di fibra, da un computer quantistico a un altro. Potrebbe anche essere usato da solo per trovare soluzioni a complicati problemi matematici.
Rete aggrovigliata: I componenti ottici su questo banco da laboratorio, come specchi e filtri, consentono ai ricercatori del laboratorio di Prem Kumar della Northwestern University di dirigere e manipolare la luce. Nel lavoro più recente di Kumar, ha creato una porta logica quantistica all'interno di una fibra ottica; tali porte potrebbero eventualmente abilitare reti di computer quantistici.
Una porta logica è un dispositivo che riceve un input, esegue un'operazione logica su di esso e produce un output. Il tipo di gate creato da Kumar, chiamato gate NOT controllato, ha un analogo di calcolo classico che capovolge un bit registrando da 1 a 0 e viceversa. Le porte logiche quantistiche come quelle di Kumar sono state costruite prima, ma funzionavano con raggi laser che passavano attraverso l'aria, non attraverso la fibra. Il nuovo cancello pone le basi per esperimenti che dimostrano le capacità dei computer quantistici in fibra, afferma Kumar. La cosa eccitante qui è che un'applicazione è a portata di mano, dice. Entro il prossimo anno, Kumar e il suo team hanno in programma di testare il gate in un'applicazione specifica: condurre un'asta complessa su una rete quantistica sicura.
I ricercatori dell'IBM, del MIT e di molte altre aziende e università hanno lavorato sui computer quantistici da quando sono stati proposti per la prima volta negli anni '80. Un computer quantistico è un dispositivo che elabora bit di informazioni sfruttando le strane proprietà quantomeccaniche di particelle come elettroni e fotoni. Un computer quantistico è teoricamente in grado di elaborare esponenzialmente più informazioni rispetto ai computer classici. L'unità di informazione in un computer classico è il bit, che rappresenta un 1 o uno 0; ma in un computer quantistico, è il qubit, che può rappresentare sia un 1 che uno 0 allo stesso tempo. Poiché i qubit calcolano con più valori contemporaneamente, la potenza di elaborazione di un computer quantistico raddoppia con ogni qubit aggiuntivo. Questa caratteristica consentirebbe a un computer quantistico con solo un paio di centinaia di qubit di superare in modo significativo le prestazioni dei migliori supercomputer di oggi.
Il gruppo di Kumar produce qubit da fotoni che sono entangled. Ciò significa che le loro caratteristiche fisiche, come la polarizzazione, sono collegate in modo tale che se un fotone assume un particolare stato fisico, il fotone corrispondente assume istantaneamente uno stato corrispondente. Alcuni anni fa, Kumar dimostrò che la stessa fibra ottica potrebbe causare l'entanglement dei fotoni e che rimarrebbero impigliati su una distanza di 100 chilometri. Il suo lavoro recente, descritto in Lettere di revisione fisica , fa un passo avanti, creando una porta logica che impiglia le coppie di fotoni.
Per utilizzare questo gate, Kumar ha bisogno di fotoni identici in tutto tranne che per la polarizzazione o l'orientamento dei loro campi elettromagnetici. Questi fotoni identici vengono inviati attraverso la fibra ottica al gate stesso, un piccolo labirinto di dispositivi che instradano i fotoni in direzioni diverse a seconda sulla loro polarizzazione. Il passaggio attraverso il labirinto provoca l'entanglement di alcune coppie di fotoni. Ma non tutti i fotoni passano attraverso il cancello; solo quando i fotoni raggiungono i rivelatori dall'altra parte e i ricercatori possono misurare se sono o meno entangled, sanno che il gate ha avuto successo.
L'unico modo per sapere se il cancello ha funzionato o meno è aspettare che venga sparata una raccolta di fotoni, dice Carl Williams , coordinatore della programma di informazione quantistica presso l'Istituto nazionale di standard e tecnologia. Il più delle volte il cancello fallisce, dice. È una cosa probabilistica. Ma quando il cancello fallisce, i ricercatori semplicemente ignorano i fotoni districati.
La cosa grandiosa di questo lavoro, dice Williams, è che è in fibra. Questo è un grosso problema perché potrebbe portare a reti distribuite. … L'ovvia applicazione è per la comunicazione quantistica a lunga distanza tra due computer quantistici più piccoli. Uno degli elementi cruciali in una rete ottica convenzionale è un dispositivo chiamato ripetitore, che amplifica i segnali che si sono degradati a distanza. Williams afferma che una porta logica quantistica, come quella costruita da Kumar, potrebbe essere utilizzata in un circuito che amplifica un segnale senza perdere l'entanglement dei fotoni.
Questo è un passo importante verso la costruzione di un Internet quantistico, afferma Seth Lloyd , professore di ingegneria meccanica al MIT e ricercatore leader nel calcolo quantistico. Una rete del genere avrebbe poteri che la normale Internet non ha, dice. In particolare, la comunicazione su Internet quantistica sarebbe automaticamente sicura.
Lloyd osserva che l'articolo di Kumar illustra come una semplice operazione di logica quantistica può essere eseguita utilizzando singoli fotoni. L'attuale documento rappresenta un progresso significativo nella tecnologia del calcolo quantistico e delle reti quantistiche, afferma.