Un recente progresso nella tecnologia quantistica potrebbe aprire la strada a un’Internet quantistica su scala globale, ampliando in modo significativo la gamma alla quale i computer quantistici possono comunicare tra loro. Precedentemente limitati dalla distanza, i computer quantistici potrebbero presto connettersi attraverso i continenti grazie a un nuovo metodo di costruzione di componenti chiave.
La barriera della distanza nella comunicazione quantistica
I computer quantistici possiedono notevoli capacità di elaborazione e velocità, ma l’utilizzo efficace di questa potenza richiede una rete robusta e interconnessa. Attualmente, un ostacolo significativo è la difficoltà di collegare questi computer su lunghe distanze. Finora la distanza massima per la comunicazione tramite cavo in fibra ottica era limitata a pochi chilometri. Per illustrare, anche con cavi in fibra che li collegano, un computer quantistico nel campus South Side dell’Università di Chicago non è riuscito a stabilire una connessione con uno situato nella Willis Tower del centro di Chicago.
Aumento di 200 volte del raggio di connessione
La ricerca pubblicata oggi su Nature Communications dal professore assistente Tian Zhong presso la Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) dell’Università di Chicago propone una soluzione a questa limitazione. Il metodo di Zhong estende teoricamente la distanza massima di connessione fino a ben 2.000 chilometri (1.243 miglia). Questo cambiamento significa che lo stesso computer quantistico di UChicago precedentemente incapace di raggiungere la Willis Tower potrebbe ora connettersi e comunicare con una controparte a Salt Lake City, nello Utah.
“Per la prima volta, la tecnologia per costruire un’internet quantistica su scala globale è a portata di mano”, ha affermato Zhong, a cui è stato recentemente assegnato il prestigioso Premio Sturge per il suo lavoro.
La scienza dietro la svolta
Collegare i computer quantistici implica stabilire un entanglement quantistico tra gli atomi trasmessi attraverso un cavo in fibra. Quanto più a lungo questi atomi mantengono la coerenza quantistica – essenzialmente, la loro capacità di mantenere uno stato quantico – maggiore è la distanza tra i computer che possono essere collegati.
Zhong e il suo team hanno migliorato significativamente i tempi di coerenza quantistica migliorando la fabbricazione degli atomi di erbio, un elemento cruciale nella creazione dell’entanglement. Hanno aumentato i tempi di coerenza da 0,1 millisecondi a oltre 10 millisecondi, con un’istanza che ha raggiunto i 24 millisecondi. Questo miglioramento consentirebbe teoricamente ai computer quantistici di connettersi su distanze di 4.000 chilometri, all’incirca la distanza da UChicago PME a Ocaña, in Colombia.
Non nuovi materiali, ma un nuovo metodo
L’innovazione riguardava i nuovi materiali, ma piuttosto il modo in cui tali materiali sono costruiti. I ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata epitassia a fascio molecolare (MBE) invece del tradizionale metodo Czochralski per creare i cristalli drogati di terre rare necessari per l’entanglement quantistico.
Il metodo Czochralski, ha spiegato Zhong, è come “un crogiolo” in cui gli ingredienti vengono mescolati e fusi a temperature estremamente elevate (oltre 2.000 gradi Celsius) prima di raffreddarsi lentamente per formare un cristallo. Questi cristalli vengono poi “intagliati” chimicamente nei componenti del computer. Al contrario, MBE è più simile alla stampa 3D, costruendo il cristallo strato dopo strato.
“Iniziamo dal nulla e poi assembliamo questo dispositivo atomo per atomo”, ha detto Zhong. “La qualità o purezza di questo materiale è così elevata che le proprietà di coerenza quantistica di questi atomi diventano superbe”.
Adattamento delle tecniche esistenti
Sebbene l’MBE sia una tecnica nota, non è mai stata applicata per creare questo tipo specifico di materiale drogato con terre rare. Zhong e il suo team hanno collaborato con il professore assistente Shuolong Yang presso l’UChicago PME, un esperto nella sintesi dei materiali, per adattare MBE a questo scopo.
Convalida degli esperti
Il progresso ha raccolto elogi da parte dei maggiori esperti del settore. “L’approccio dimostrato in questo articolo è altamente innovativo”, ha affermato il professor Dr. Hugues de Riedmatten dell’Istituto di scienze fotoniche. “Dimostra che un approccio di nanofabbricazione dal basso verso l’alto e ben controllato può portare alla realizzazione di singoli qubit di ioni di terre rare con eccellenti proprietà ottiche e di coerenza di spin”.
Qual è il prossimo passo?
Zhong e il suo team si stanno ora concentrando sulla verifica se i tempi di coerenza estesi consentono effettive connessioni quantistiche a lunga distanza. Il passo successivo prevede il collegamento di due qubit, ciascuno ospitato in frigoriferi a diluizione separati all’interno del laboratorio di Zhong, attraverso 1.000 chilometri di cavo in bobina. Questo test iniziale, sebbene non sia il passo finale, si rivelerà cruciale per convalidare la tecnologia e avvicinare la visione di un’Internet quantistica globale alla realtà.
Questa svolta rappresenta un passo significativo verso un futuro in cui i computer quantistici potranno essere perfettamente interconnessi, liberando una potenza computazionale senza precedenti e guidando l’innovazione in numerosi campi.
