Un team di fisici dell’Università di Toronto ha compiuto un decisivo passo avanti verso la realizzazione delle componenti essenziali dei computer quantistici. Il loro lavoro, descritto in un articolo pubblicato questa settimana sulla rivista Nature Physics, ha a che fare con una parte specifica del computer, un circuito digitale chiamato anche “porta logica“.
Le porte logiche eseguono operazioni su dati di input e creano output simulando funzioni logiche. Nei computer classici le porte logiche assumono la forma di diodi o transistor, mentre nei computer quantistici le componenti sono composte da singoli atomi e particelle subatomiche. L’elaborazione delle informazioni avviene quando le particelle interagiscono tra loro secondo le leggi della fisica quantistica.
Le particelle di luce, ovvero i fotoni, presentano numerosi vantaggi nell’informatica quantistica, ma è notoriamente difficile controllare le loro interazioni. L’esperimento descritto nell’articolo dimostra come gestire tali interazioni.
«Abbiamo osservato l’effetto di una singola particella di luce su un fascio ottico», ha spiegato Aephraim Steinberg del Canadian Institute for Advanced Research, uno degli autori dello studio e ricercatore presso il Centre for Quantum Information & Quantum Computing dell’Università di Toronto. «Normalmente i fasci di luce si attraversano l’un l’altro senza subire nessun effetto. Per costruire nuove tecnologie come i computer quantistici, vogliamo che i fasci luminosi di parlino l’un l’altro. Questo non è mai stato fatto utilizzando un singolo fotone».
Impressione artistica di ciò che avviene quando un fotone passa attraverso un mezzo atomico accuratamente preparato insieme ad un impulso composto da molti fotoni. La variazione di colore rappresenta i cambiamenti di fase non lineari di ciascun impulso, proporzionale al numero di fotoni. Credits: Amir Feizpour
L’interazione descritta nell’articolo è un processo composto da due passaggi. I ricercatori hanno innanzitutto sparato un singolo fotone su degli atomi di rubidio che avevano fatto raffreddare alla temperatura di un milionesimo di grado sopra lo zero assoluto. I fotoni si sono quindi “legati” agli atomi, alterando il modo in cui il rubidio ha interagito con un altro fascio ottico. Il fotone ha modificato l’indice di rifrazione degli atomi, che ha causato uno sfasamento del fascio, piccolo ma misurabile.
Questo processo potrebbe essere utilizzato come una porta logica quantistica, consentendo l’ingresso, l’elaborazione e l’uscita delle informazioni.
«Le porte logiche quantistiche sono l’applicazione più ovvia di questa scoperta», ha dichiarato Steinberg. «Ma essere in grado di vedere queste interazioni è anche il primo passo verso un nuovo campo dell’ottica. La maggior parte dei comportamenti della luce è così ben compreso che è difficile immaginarlo come un campo di ricerca aperto. Ma esistono due grandi eccezioni, e corrispondono alle domande “Cosa succede quando abbiamo a che fare con una particella di luce alla volta?” e “Cosa succede quando ci sono mezzi, come gli atomi freddi utilizzati nell’esperimento, che permettono a diversi fasci di luce di interagire tra loro?”».
Entrambe le questioni sono state indagate, dice Steinberg, ma fino ad ora non sono mai state affrontate insieme.