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30 luglio 2014

La Sapienza: Simulatore classico o quantistico? Lo rivelano i fotoni

Team La Sapienza

Università degli Studi di Roma La Sapienza – Un team La Sapienza mette a punto, in parallelo con l’Università di Bristol, un sistema per testare il corretto funzionamento dei futuri pc quantistici e certificarne le potenzialità

Team La Sapienza

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Le ricerche pubblicate sullo stesso numero di Nature Photonics.

La promessa dei computer quantistici è quella di superare i dispositivi di tipo classico, in capacità di calcolo e in velocità di elaborazione.

Ma non tutti i pc realizzati con tecnologie quantistiche sono in grado di mantenere fede a questa promessa. Per tale motivo la comunità scientifica internazionale, oltre al traguardo della “supremazia quantistica”, si è posta il problema di testare il corretto funzionamento di questi simulatori e di certificare la superiorità delle loro prestazioni rispetto a quelle dei computer tradizionali.

La ricerca La Sapienza e Università di Bristol

Un contributo fondamentale alla questione della verifica è stato fornito dalle ricerche condotte da due team diversi ma pubblicate contemporaneamente sulla rivista  Nature Photonics: la prima è quella coordinata dal fisico  La Sapienza Fabio Sciarrino in collaborazione con l’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del CNR, e l’Universidad Federal Fluminense in Brasile; la seconda è la ricerca diretta da Anthony Laing dell’Università di Bristol.

Partendo dalla tesi che un computer classico non è in grado di riprodurre i risultati di un computer quantistico, i ricercatori hanno escluso di poter ricorrere agli strumenti tradizionali, per stabilire in modo efficiente e sicuro la correttezza di un calcolo specifico.

Per questo i due gruppi hanno usato per i loro esperimenti un simulatore quantistico semplice, ovvero un circuito ottico integrato con singoli fotoni, assumendo come modello computazionale di riferimento il cosiddetto Boson sampling, un particolare algoritmo, già oggetto di studio nel 2010. Allora due ricercatori del MIT (Aaronson e Arkhipov) avevano teoricamente dimostrato che, mentre i più potenti computer classici non sono in grado eseguire il  Boson Sampling, un simulatore quantistico riesce a risolvere questo algoritmo.

I due team di ricerca La Sapienza e Bristol si sono dunque cimentati nel realizzare sistemi quantistici semplici capaci di risolvere correttamente il Boson Sampling con l’obiettivo di  mettere a punto tecniche e strumenti di verifica in grado di certificare anche i calcolatori quantistici più complessi.

Il gruppo guidato da La Sapienza di Roma ha utilizzato le applicazioni attualmente più avanzate della fotonica integrata. L’esperimento, oggetto dello studio, si basa infatti sul comportamento dei fotoni (i quanti della luce) all’interno di una complessa struttura, costituita da una fitta rete di maglie disegnate tramite scrittura laser su un chip di vetro. La luce viene  iniettata in questo dispositivo: tre fotoni indistinguibili vengono  fatti propagare su interferometri di taglia crescente, costituiti da cinque, sette, nove e tredici cammini. Con il crescere del numero di percorsi viene aumentata la complessità dei simulatori quantistici sviluppati.

Non solo il Boson Sampling non è riproducibile con la tecnologia convenzionale, ma i suoi risultati non possono essere verificati dai computer classici, o con altri metodi noti. – spiega Fabio Sciarrino – Abbiamo dimostrato come misurare alcune proprietà del Boson Sampling e come fornire prove sperimentali per dimostrarne il corretto funzionamento. I nostri risultati sperimentali aprono la strada alla certificazione del comportamento di sistemi quantistici complessi”

La ricerca italo-brasiliana è stata realizzata nell’ambito del progetto ERC 3D-QUEST, finalizzata alla dimostrazione del potenziale dell’ottica lineare nell’implementare una potenza computazionale superiore a quella di un computer classico.

Il team di Bristol ha utilizzato invece due diversi tipi di circuiti ottici integrati in diversi materiali a base di silicio, iniettando in essi fino a 5 fotoni. Secondo Anthony Laing del team di Bristol: “Con solo tre o quattro fotoni in più, i nostri esperimenti sarebbero stati così complessi che avremmo avuto difficoltà a controllarli con i nostri computer portatili. Così le tecniche di verifica che abbiamo sviluppato dovrebbero trovare applicazioni pratiche molto presto.”


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