La porta della luce


Si chiama Cnot (Integrated photonic quantum gates for polarization qubits)  ed è il cuore dell’informazione quantistica, la porta logica del computer del futuro che per funzionare userà i fotoni, cioè la luce invece degli elettroni. A realizzarla una collaborazione fra l’Istituto di fotonica e nanotecnologie del Consiglio nazionale delle ricerche (Ifn-Cnr), il gruppo di ottica quantistica della Sapienza e il Politecnico di Milano.

Il dispositivo, di cui è stato depositato il brevetto, è costituito da un chip di vetro delle dimensioni di un paio di centimetri sul quale viene implementato un circuito integrato che guida la luce rendendo possibile il passaggio dei quanti di informazione quantistica (qu-bit). La fabbricazione della porta logica nel vetro è stata realizzata grazie a una tecnica innovativa che utilizza impulsi laser di brevissima durata (circa 100 milionesimi di miliardesimi di secondo) come “penna ottica” per scrivere direttamente nel chip i circuiti ottici necessari per l’elaborazione dei qubit.
Questa sofisticata tecnologia – afferma Roberto Osellame, primo ricercatore dell’Ifn-Cnr – permette di realizzare circuiti ottici a sviluppo tridimensionale, non ottenibili con altre tecnologie, che consentono di implementare architetture innovative e di integrare in un singolo dispositivo sistemi di complessità sempre maggiore“. Viene così realizzato un componente essenziale e miniaturizzato dell’hardware dei futuri computer quantistici, che saranno caratterizzati dalla capacità di effettuare con grande velocità di calcolo operazioni di complessità inaccessibile ai computer classici.
La manipolazione dell’informazione quantistica attraverso i fotoni – afferma Paolo Mataloni, docente di ottica quantistica alla Sapienza – rappresenta un’importante sfida tecnologica poiché richiede la capacità di controllare ciascun sistema quantistico con estrema precisione. A questo scopo sono necessari sistemi ottici di crescente complessità, formati da un grande numero di interferometri, che rappresentano l’elemento base della tecnologia ottica. L’uso di sistemi miniaturizzati integrati in guida d’onda permette di lavorare con perfetta stabilità di fase, con un enorme vantaggio rispetto ai sistemi tradizionali basati su specchi e altri elementi ottici convenzionali“.
Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature Communications, apre prospettive promettenti non solo nel campo dell’informazione e della computazione quantistica ma anche in quello della simulazione quantistica: questi dispositivi infatti possono essere utilizzati per simulare in laboratorio il comportamento di determinati fenomeni fisici difficilmente accessibili alla sperimentazione diretta.
Le implicazioni della simulazione quantistica vanno dallo studio del trasporto e transizioni di fase in sistemi a stato solido, allo studio della dinamica del processo di fotosintesi, alla simulazione delle interazioni fra le particelle elementari.
Utilizzando la tecnologia integrata – sostiene Fabio Sciarrino del team di ricerca e docente di Informazione quantistica – abbiamo molto recentemente studiato il moto di due particelle, bosoni o fermioni, in un reticolo: un fenomeno denominato ‘quantum walk’. Questo è un primo passo verso scenari più complessi, il nostro obiettivo è quello di investigare entro pochi anni problemi che non siano simulabili con un computer di tipo classico“.
La ricerca è stata finanziata da un progetto nazionale Prin del ministero dell’Istruzione, dell’università e della ricerca (Circuiti integrati per l’informazione quantistica) e dal progetto europeo Quasar (Quantum states: analysis and realizations).
www.cnr.it

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