Fisica: a La Sapienza il computer quantistico prende forma

I dettagli dell’esperimento sono stati descritti sulla rivista Science Advances

Fino ad oggi il computer quantistico era piu’ o meno una grande aspirazione. Oggi, grazie ad un lavoro messo in atto da ricercatori de La Sapienza di Roma questo progetto assume una dimensione concreta, mai raggiunta. La squadra guidata da Fabio Sciarrino, docente del Dipartimento di Fisica della Sapienza della quale fano parte anche ricercatori dell’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie – CNR, ha realizzato, quello, che a tutti gli effetti potrebbe essere il primo circuito di base del futuro computer quantistico. I dettagli dell’esperimento sono stati descritti sulla rivista Science Advances. Certo siamo ancora molto lontani dal riuscire a realizzare un comuter quantistico, una macchina cioe’ in grado di svolgere simultaneamente miliardi di operazioni in piu’ di quelle attuali, ma l’esperimento romano rappresenta, senza ombra di dubbio, un fondamentale passo in avanti in questa direzione. I ricercatori de La Sapienza sono infatti riusciti a concretizzare in un circuito estremamente complesso costituito da fibre ottiche e da generatori di fotoni in serie, gli avanzamenti teorici proposti in diversi centri di ricerca nel mondo tra cui anche il MIT di Boston. Gia’ nel 2010, due ricercatori teorici del MIT, Scott Aaronson ed Alex Arkhipov, hanno dimostrato teoricamente che un dispositivo costituito da alcune decine di fotoni che interagiscano all’interno di un circuito ottico e’ in grado di eseguire un algoritmo di campionamento, noto come Boson Sampling, che non puo’ essere replicato dai migliori computer classici di oggi. Ma il problema principale rimane l’implementazione dell’algoritmo e la tecnica di generazione di fotoni: l’attuale metodologia utilizza potenti impulsi laser focalizzati su speciali cristalli, ma una singola sorgente di fotoni di questo tipo agisce in maniera probabilistica e non rende possibile prevedere il momento esatto in cui il fotone sara’ generato, ne’ consente di estrarre piu’ di due fotoni per volta. Due team di ricerca dell’Universita’ di Bristol ed Oxford hanno percio’ pensato ad una batteria di sorgenti in parallelo, ciascuna connessa ad un differente input del circuito ottico: uno schema concettualmente simile ad un computer con piu’ processori che elaborano separatamente diverse parti di uno stesso problema. Di quest’idea, denominata Scattershot Boson Sampling, il team condotto da Fabio Sciarrino, ha messo a punto la prima realizzazione sperimentale, costituita da sei sorgenti di fotoni connesse in parallelo ad un circuito ottico, una complessa struttura realizzata dal gruppo diretto da Roberto Osellame dell’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie CNR di Milano costituita da una fitta rete di maglie disegnate tramite scrittura laser in un chip di vetro. L’utilizzo di sei sorgenti in parallelo costituisce un avanzamento sperimentale di notevole efficacia, che ha dimostrato la fattibilita’ in principio dello schema, indicando lo Scattershot Boson Sampling come uno dei migliori candidati al raggiungimento del traguardo della supremazia quantistica. “L’esperimento ha richiesto un notevole sforzo sperimentale, dato che ottenere interferenza quantistica con fotoni emessi da diverse sorgenti e’ un compito difficile” spiega Marco Bentivegna, dottorando del gruppo “Tipicamente gli esperimenti di questo tipo utilizzano un solo cristallo di generazione, che produce fotoni lungo 2-4 possibili cammini. Nel nostro esperimento abbiamo 3 cristalli e 12 cammini, della lunghezza di svariati metri e dalla complicata geometria, che dovevano essere identici a meno di pochi micron, molto meno dello spessore di un capello”. La riuscita dell’esperimento e’ stata possibile grazie alla sinergia fra l’utilizzo delle tecniche piu’ avanzate della fotonica integrata e dell’esperienza del gruppo di Roma nell’utilizzo di sorgenti multiple di fotoni. In aggiunta, sono state utilizzati protocolli di controllo della validita’ dei risultati, dimostrati dalla stessa collaborazione l’anno scorso sulla rivista Nature Photonics. “Il prossimo obiettivo su cui stiamo lavorando – spiega Fabio Sciarrino, coordinatore della ricerca “e’ la realizzazione direttamente su chip di sorgenti di fotoni, circuiti integrati e detectors. Si tratta di una sfida tecnologica che vede coinvolti diversi gruppi di ricerca nel mondo. Noi lavoriamo in stretta sinergia con due gruppi di ricerca del CNR. Proprio su queste tematiche la Sapienza guida un nuovo progetto europeo, QUCHIP, che coinvolge nove partners europei e che ha come obiettivo lo sviluppo di un simulatore quantistico su chip”.