Transistor quantistico a singolo fotone per i computer quantici

Il transistor quantistico a semiconduttori, per il calcolo, oggi basato su fotoni

I ricercatori dimostrano sul primo transistor a singolo fotone usando un chip semiconduttore: un singolo fotone, memorizzato in una memoria quantica, commuta lo stato di altri fotoni. I transistor minuscoli interruttori sono il fondamento del moderno computing: miliardi di loro trasmettono segnali elettrici all'interno di uno smartphone, ad esempio. I computer quantistici

Chip nei computer quantistici

abbisognano di hardware analogo per manipolare le informazioni quantistiche. I limiti di progettazione per questa nuova tecnologia sono rigorosi e i processori più avanzati di oggi non possono essere riutilizzati come dispositivi quantici. I vettori di informazioni quantistiche, soprannominati qubit, seguono regole diverse stabilite dalla fisica quantistica. Si possono usare molti tipi di particelle quantistiche come qubit, anche i fotoni che costituiscono la luce. I fotoni aggiungono appeal perché possono trasferire rapidamente le informazioni su lunghe distanze e sono compatibili con i chip fabbricati. Tuttavia, fare un transistor quantistico innescato dalla luce è difficile perché richiede che i fotoni interagiscano tra loro, qualcosa che normalmente non avviene spontaneamente. Al Joint Quantum Institute (JQI), Edo Waks dell'JQI, ha risolto questo ostacolo utilizzando il primo transistor a fotone singolo in un chip semiconduttore. E’ un dispositivo compatto: un milione di questi nuovi transistor può essere contenuto in un singolo granello di sale. È veloce, in grado di elaborare 10 miliardi di qubit fotonici ogni secondo. "Usando il nostro transistor, -afferma Waks- saremmo presto in grado di eseguire porte quantiche tra i fotoni". Il software in esecuzione su un computer quantico userebbe una serie di tali operazioni per raggiungere una velocità esponenziale per alcuni problemi computazionali.Il chip fotonico

Un transistor fotonico

è costituito da un semiconduttore con numerosi fori, molto simile a un nido d'ape. La luce che entra nel chip rimbalza e rimane intrappolata dal “motivo” piazzato nel buco; un piccolo cristallo chiamato punto quantico si trova all'interno dell'area in cui l'intensità della luce è più forte. Analogamente alla memoria convenzionale del computer, il punto memorizza le informazioni sui fotoni mentre entrano nel dispositivo. Il punto può attingere efficacemente a quella memoria per mediare le interazioni del fotone, quindi le azioni di un fotone influenzano gli altri che in seguito arrivano al chip. "In un transistor a singolo fotone -afferma Shuo Sun, ricercatore post-dottorato alla Stanford University- la memoria dei punti quantici deve persistere abbastanza a lungo da interagire con ogni qubit fotonico. Questo permette ad un singolo fotone di cambiare un flusso più grande di fotoni, essenziale per il nostro dispositivo che deve essere considerato un transistor." Per verificare che il chip funzionasse come un transistor, è stato esaminato il modo in cui il dispositivo rispondeva a deboli impulsi di luce che di solito contenevano solo un fotone. In un ambiente normale, una luce così fioca potrebbe registrare a malapena. Tuttavia, in questo dispositivo, un singolo fotone rimane intrappolato per un lungo periodo, registrando la sua presenza nel punto vicino. Un singolo fotone poteva, interagendo con il punto, controllare la trasmissione di un secondo impulso luminoso attraverso il dispositivo. Il primo impulso luminoso  dunque,agisce come una chiave, aprendo la porta per il secondo fotone per entrare nel chip. Se il primo impulso non conteneva alcun fotone, il punto bloccava i successivi fotoni. Un comportamento simile a un transistor convenzionale in cui una piccola tensione controlla il passaggio della corrente attraverso i suoi terminali. I ricercatori hanno sostituito con successo la tensione con un singolo fotone e hanno dimostrato che il loro transistor quantico poteva commutare un impulso luminoso contenente circa 30 fotoni prima che la memoria del punto quantico si esaurisse. Waks, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica dell'Università del Maryland, dice che il suo team ha dovuto testare diversi aspetti delle prestazioni del dispositivo prima di far funzionare il transistor. "Finora, avevamo i singoli componenti, -afferma Waks-, necessari per creare un transistor a singolo fotone, ma qui abbiamo combinato tutti i passaggi in un unico chip". Sun afferma che con miglioramenti ingegneristici realistici , consentirebbero di collegare molti transistor di luce quantistica. Dispositivi così veloci e altamente connessi alla fine porteranno a compatti computer quantici che elaborano un gran numero di qubit fotonici.