L’elaborazione quantistica aumenta progressivamente e balza fuori dalla teoria alla realtà
«Questo è un periodo entusiasmante per la fotonica quantistica». Da 3 anni, Peter Lodahl, responsabile del Quantum Photonics Group presso l’Università di Copenaghen, osserva la costante materializzazione dei blocchi hardware quantistici ed è chiaramente ottimista per il futuro. Con ogni nuovo componente, il mondo si avvicina alla prima generazione di dispositivi di informatica quantistica, comunicazione e rilevamento di precisione. Lodahl è in realtà molto più di un osservatore: supervisiona anche un gruppo di circa 30 scienziati che lavorano sulla tecnologia della fotonica quantistica. «Il nostro gruppo si è specializzato nello sviluppo di sorgenti a singolo fotone deterministiche e coerenti e interfacce di fotoni-emettitori di qualità sufficientemente elevata per essere maggiorate», spiega. «Ora sfruttiamo questo know-how e questa tecnologia applicando risorse fotoniche nell’elaborazione avanzata di informazioni quantistiche. Ci stiamo dirigendo verso simulazioni quantistiche fotoniche e una rete neurale fotonica quantistica, che richiede un’interfaccia ibrida della nostra tecnologia con circuiti fotonici avanzati disponibili in commercio. Questo è uno sviluppo chiave attualmente in corso d’opera». Uno dei progetti di rilievo ospitati da Lodahl è una borsa di ricerca Marie Skłodowska-Curie denominata VLS-QPP. Il progetto mira a sviluppare la prossima generazione di tecnologia ottica quantistica e lo fa attraverso lo sviluppo simbiotico di hardware e algoritmi e utilizzando la piattaforma di fotonica del silicio.
Processori fotonici quantistici pionieristici
Il borsista Marie Skłodowska-Curie alla guida del programma, Jacques Carolan, afferma che VLS-QPP mira ad aggiungere i componenti «quantistici» mancanti all’hardware «classico» esistente: «Mentre le tecnologie commerciali come la fotonica del silicio offrono una scala e una complessità senza precedenti, mancano delle funzionalità quantistiche centrali». VLS-QPP sta sviluppando la prossima generazione di processori fotonici quantistici su larga scala aumentando la tecnologia ottica classica esistente con nuovi componenti quantistici. «I principali fattori abilitanti del progetto sono le sorgenti a singolo fotone e le interfacce coerenti di fotoni-emettitori. Queste ultime ci hanno permesso di dimostrare operazioni non lineari di fotoni giganti sensibili a livello di singoli fotoni. Si tratta di un componente abilitante fondamentale che finora mancava per le porte quantiche fotoniche e consente l’informatica quantistica e la comunicazione quantistica», spiega Lodahl. La principale innovazione di VLS-QPP risiede nell’uso della tecnologia planare per accoppiare i fotoni con circuiti nanofotonici. A differenza della maggior parte degli altri approcci che utilizzano strutture verticali in cui i fotoni sono accoppiati off-chip, la tecnologia planare è scalabile per creare circuiti fotonici avanzati in cui le funzionalità possono essere integrate direttamente sul chip. «La nostra tecnologia viene commercializzata dalla società spin-out Sparrow Quantum fondata dal mio gruppo», afferma Lodahl.
Dalla teoria alla realtà
Fondamentale per il successo di VLS-QPP è la stretta interazione tra teoria ed esperimento. «L’hardware che sviluppiamo è buono solo tanto quanto gli algoritmi e i protocolli che dobbiamo eseguire su di esso», aggiunge Carolan. «Abbiamo quindi sviluppato nuovi metodi per controllare tali sistemi fotonici quantistici su larga scala e una suite completamente nuova di applicazioni nel campo emergente dell’apprendimento automatico quantistico». Tutto sommato, il principale contributo di VLS-QPP al campo della fotonica quantistica è lo sviluppo di processori quantistici su una scala senza precedenti. Il progetto, che terminerà a settembre 2020, ha anche gettato le basi dell’informatica quantistica fotonica scalabile e ha prodotto numerose pubblicazioni. Il suo nuovo processore quantistico avrà probabilmente un impatto considerevole sui campi dell’informatica e dell’apprendimento automatico consentendo una piattaforma hardware scalabile e solida in grado di implementare una famiglia completamente nuova di algoritmi quantistici a breve termine. Le potenziali applicazioni per i risultati del progetto possono essere riscontrate in tre settori principali: scienza medica per lo studio dei processi biochimici verso la scoperta di farmaci; sicurezza dei dati attraverso lo sviluppo e l’implementazione di nuove e sicure architetture di distribuzione quantistica di chiavi e ripetitori quantistici; e apprendimento automatico quantistico eseguendo direttamente l’inferenza sui segnali ottici. Nel complesso, Lodahl è fiducioso che questi progressi creeranno nuove opportunità di mercato nel settore quantistico e anche oltre.
Parole chiave
VLS-QPP, fotonica quantistica, processore, fotone, rete neurale, algoritmi
