Gli scienziati hanno appena dimostrato come i computer quantistici potrebbero essere basati sulle onde sonore

Una strana e meravigliosa gamma di tecnologie competono per diventare il portabandiera dell’informatica quantistica. L'ultimo contendente vuole codificare le informazioni quantistiche nelle onde sonore.

Una cosa che tutti i computer quantistici hanno in comune è il fatto che manipolano le informazioni codificate negli stati quantistici. Ma è qui che finiscono le somiglianze, perché quegli stati quantistici possono essere indotti in qualsiasi cosa, dai circuiti superconduttori agli ioni intrappolati, agli atomi ultraraffreddati, ai fotoni e persino ai chip di silicio.

Sebbene alcuni di questi approcci abbiano attirato più investimenti di altri, siamo ancora lontani dal fatto che il settore si stabilisca su una piattaforma comune. E nel mondo della ricerca accademica la sperimentazione abbonda ancora.

Ora, un team dell’Università di Chicago ha compiuto i primi passi cruciali verso la costruzione di un computer quantistico in grado di codificare le informazioni nei fononi, le unità quantistiche fondamentali che compongono le onde sonore più o meno nello stesso modo in cui i fotoni compongono i raggi luminosi.

I principi di base su come creare un computer quantistico "fononico" sono abbastanza simili a quelli utilizzati nei computer quantistici "fotonici". Entrambi implicano la generazione e il rilevamento di singole particelle, o quasiparticelle, e la loro manipolazione utilizzando divisori di fascio e sfasatori. I fononi sono quasiparticelle, perché sebbene si comportino come particelle per quanto riguarda la meccanica quantistica, in realtà sono costituiti dal comportamento collettivo di un gran numero di atomi.

Il gruppo di Chicago aveva già dimostrato di poter generare singoli fononi utilizzando onde acustiche superficiali, che viaggiano lungo la superficie di un materiale a frequenze circa un milione di volte superiori a quelle che un essere umano può sentire, e usarli per trasferire informazioni quantistiche tra due qubit superconduttori .

Ma in un nuovo articolo su Science, i ricercatori dimostrano il primo divisore di fascio fononico, che, come suggerisce il nome, è progettato per dividere le onde acustiche. Questo componente è un ingrediente fondamentale per un computer quantistico fononico poiché consente di sfruttare fenomeni quantistici come sovrapposizione, entanglement e interferenza.

La loro configurazione prevede due qubit superconduttori fabbricati su pezzi piatti di zaffiro, uniti insieme da un canale di niobato di litio. Ogni qubit è collegato tramite un accoppiatore sintonizzabile a un dispositivo chiamato trasduttore, che converte i segnali elettrici in segnali meccanici.

Questo viene utilizzato per generare vibrazioni che creano i singoli fononi nel canale che collega i qubit, che presenta un divisore di fascio composto da 16 dita metalliche parallele al centro. L'intera configurazione è raffreddata appena sopra lo zero assoluto.

Per dimostrare le capacità del loro sistema, i ricercatori hanno prima eccitato uno dei qubit per fargli generare un singolo fonone. Questo ha viaggiato lungo il canale fino al divisore di fascio, ma poiché le particelle quantistiche come i fononi sono fondamentalmente indivisibili, invece di dividersi è andato in una sovrapposizione quantistica.

Ciò si riferisce alla capacità di un sistema quantistico di trovarsi in più stati contemporaneamente, finché non vengono misurati e collassano in una delle possibilità. In questo caso il fonone veniva riflesso al qubit originale e trasmesso al secondo qubit, che era in grado di catturare il fonone e memorizzare la sovrapposizione quantistica.

In un secondo esperimento, i ricercatori sono riusciti a replicare un fenomeno quantistico fondamentale per il modo in cui vengono create le porte logiche nei computer quantistici fotonici, chiamato effetto Hong-Ou-Mandel. Nelle configurazioni ottiche, ciò comporta che due fotoni identici vengano immessi simultaneamente in un divisore di fascio da direzioni opposte. Entrambi entrano quindi in una sovrapposizione, ma queste uscite interferiscono con ciascuna in modo tale che entrambi i fotoni finiscono per viaggiare insieme verso uno solo dei rilevatori.

I ricercatori hanno dimostrato di poter replicare questo effetto utilizzando i fononi e, soprattutto, di poter utilizzare i qubit per alterare le caratteristiche dei fononi in modo da poter controllare la direzione in cui viaggia l'output. Questo è un primo passo cruciale verso la costruzione di un quanto pratico. computer, dice Andrew Cleland, che ha condotto lo studio.