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18 giugno 2015

Quantistica, super computer e simulatori fotonici nella ricerca La Sapienza

Comunicazione Quantistica

Università degli Studi di Roma “La Sapienza” – Un passo più vicini alla supremazia quantistica

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Un team della Sapienza realizza per la prima volta lo schema per incrementare esponenzialmente l’efficienza dei simulatori fotonici quantistici.

Le ricerche pubblicate sulla rivista americana Science Advances

Il computer quantistico è una delle “pietre filosofali” della fisica moderna.

È un dispositivo che permetterebbe di effettuare operazioni di calcolo a velocità impensabili per i dispositivi classici, sfruttando le leggi che regolano i sistemi microscopici. La sua realizzazione richiederebbe un salto tecnologico ancora al di là delle attuali possibilità e metterebbe in crisi uno degli attuali fondamenti della teoria computazionale, la Tesi di Church-Turing Estesa. Questa tesi afferma che qualsiasi sistema fisico effettui una qualche computazione è replicabile da una Macchina di Turing (ovvero dai computer oggi disponibili).

La ricerca sulla quantistica,Università degli Studi di Roma La Sapienza

Realizzare un dispositivo quantistico con capacità superiori a quelle di un computer classico almeno in uno specifico ambito non richiede però lo sforzo tecnologico necessario per realizzare un vero e proprio computer quantistico universale, e, anzi, il raggiungimento di questo obiettivo, che ci porterebbe nel regime di “supremazia quantistica”, sembra un traguardo sempre più vicino, anche grazie alle attività di ricerca Sapienza. Si tratterebbe, in poche parole, di realizzare il più semplice dispositivo contenente “l’essenza”, se non le piene capacità, della supremazia quantistica: esso costituirebbe il primo esempio embrionale di computer quantistico, analogamente a ciò che le prime macchine elettroniche come Colossus, realizzata da Alan Turing per decrittare il sistema di codifica Enigma, rappresentarono per l’informatica odierna; e, analogamente al caso di Enigma, il punto cruciale sta nella velocità di esecuzione dell’algoritmo.

Un contributo in questo senso è arrivato dai fisici del gruppo di Informazione Quantistica della Sapienza di Roma, in collaborazione con l’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie – CNR e con l’Universidade Federal Fluminense in Brasile ed è stato appena pubblicato dalla rivista americana Science Advances, proprio grazie all’utilizzo delle tecniche più avanzate della fotonica integrata e all’esperienza del gruppo di Informazione Quantistica di Roma.

Già 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 è in grado di eseguire un algoritmo di campionamento, noto come Boson Sampling, che non può 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 sarà generato, né consente di estrarre più di due fotoni per volta. Due team di ricerca dell’Università di Bristol ed Oxford hanno perciò 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 più processori che elaborano separatamente diverse parti di uno stesso problema. Di quest’idea, denominata Scattershot Boson Sampling, il team condotto da Fabio Sciarrino, docente del Dipartimento di Fisica della Sapienza, 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 fattibilità 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 è 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 è stata possibile grazie alla sinergia fra l’utilizzo delle tecniche più 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 validità dei risultati, dimostrati dalla stessa collaborazione l’anno scorso (Spagnolo et al. Nature Photonics 8, 615-620, 2014).

“Il prossimo obiettivo su cui stiamo lavorando – spiega Fabio Sciarrino, coordinatore della ricerca “è 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.”


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