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Sovrapposizione di ordini di funzionamento per un’informatica quantistica più efficiente

Le dimostrazioni sperimentali dell’informatica quantistica hanno ancora molta strada da fare. Il team di InCaSQuC è convinto che una strada promettente risieda nella sovrapposizione di operazioni rese possibili dalla meccanica quantistica e sta ideando un commutatore quantistico in grado di mostrare la scalabilità di questo approccio.

Ricerca di base

Hai mai sentito parlare di commutatori quantistici? In caso contrario, supponiamo che sia necessario eseguire un calcolo che coinvolga due operatori (A e B). Invece di scegliere tra un ordine AB e BA, un commutatore quantistico può basarsi simultaneamente su entrambi gli ordini sovrapponendoli, rendendo il calcolo più efficiente. Questo è forse uno dei percorsi più promettenti per l’informatica quantistica. Mentre generalmente l’informatica quantistica aumenta la velocità posizionando bit quantici (qubit) e sovrapponendo stati diversi, la meccanica quantistica consente di fare un ulteriore passo in avanti permettendo la sovrapposizione di stati e operazioni. In altri termini, le attività possono essere completate con meno operazioni rispetto a qualsiasi altro algoritmo quantistico noto.

Maggiore complessità rispetto alle opzioni A, B, C

Ma cosa succede se il calcolo coinvolge tre operatori anziché due? Improvvisamente, le cose diventano più complesse. «Nella situazione A, B, C, le opzioni sono molto più ampie. Mescoliamo gli ordini ABC e ACB, o forse solo CBA e ABC? Le opzioni totali sono 57», afferma Nadia Belabas, coordinatrice del progetto InCaSQuC per conto di C2N, un laboratorio congiunto del CNRS e dell’Università Parigi-Saclay. Insieme a Lorenzo Procopio, borsista Marie Skłodowska-Curie, Belabas si prefigge di raggiungere tale scalabilità. Essi hanno approfondito in maniera specifica in che modo l’ottica integrata e la fibra ottica potrebbero consentire la creazione di un commutatore quantistico per più di due operazioni. «Stiamo parlando di un circuito quantistico complesso che combina una sorgente di luce quantistica con gli operatori A, B e C. Esso dovrebbe essere in grado di attuare e passare tra i diversi possibili percorsi seguendo i principi della meccanica quantistica. A livello sperimentale, ciò pone difficoltà simili all’attuazione di qualsiasi circuito per la luce quantistica: perdite dannose», spiega Procopio. Il primo merito di InCaSQuC risiede nella dimostrazione teorica di tali condizioni complesse, in cui un commutatore quantistico deve gestire più di due operazioni. Nel contesto della comunicazione quantistica, ad esempio, il team ha potuto elaborare uno studio pionieristico del ricercatore Giulio Chiribella, il quale aveva dimostrato come mettere due canali rumorosi in un ordine indefinito consentisse in modo controintuitivo la trasmissione di informazioni. «Abbiamo dimostrato che questo effetto diventa più forte quando tutti e sei i possibili ordini di tre canali sono sovrapposti, ma anche quando viene utilizzato un numero inferiore di ordini», osserva Procopio.

Ispirato, in via non limitativa, alla fotonica al silicio

Per implementare queste idee, il team del progetto ha tratto ispirazione dai recenti progressi nella fotonica del silicio. «La fotonica del silicio è una tecnologia matura per dispositivi attivi e passivi», spiega Belabas. «Stiamo collaborando a stretto contatto con i team di C2N e InPhyNi che hanno sviluppato filtri e fonti al di là della stato dell’arte nel regime delle telecomunicazioni. Siamo particolarmente interessati alla dimensione elevata dello spazio di frequenza accessibile con queste fonti». Sebbene alla fine tutte le funzionalità possano essere realizzate su chip e campioni di alta qualità siano resi disponibili attraverso fonderie, l’approccio InCaSQuC si distingue perché può essere realizzato anche con componenti di telecomunicazione standardizzati. Come spiega Procopio, «il silicio rappresenta davvero un orizzonte molto promettente, ma vogliamo concentrarci sull’attuazione di un ordine causale indefinito indipendentemente dalla piattaforma». Mancano tre mesi al completamento e InCaSQuC entra nella sua fase più cruciale. Resta da vedere se verrà raggiunta una dimostrazione sperimentale. Come spiega Belabas, un’attuazione completamente scalabile del commutatore quantistico in uno scenario multi-operativo è particolarmente difficile anche in assenza di una crisi pandemica. «Dobbiamo controllare molti parametri sperimentali e le perdite cumulative di ciascun elemento. Poter dimostrare gli elementi chiave necessari (quali le operazioni quantistiche codificate in frequenza su fonti appropriatamente luminose) rappresenterebbe un passo decisivo verso una versione scalabile, integrata e strutturata del commutatore quantistico», afferma. Se tali dimostrazioni dovessero aver luogo, la sovrapposizione degli operatori diventerà senza dubbio un’opzione seria nella futura attuazione dell’informatica quantistica.

Parole chiave

InCaSQuC, sovrapposizione, informatica quantistica, meccanica quantistica, commutatore quantistico, multi-operativo

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