Implementation of a quantum addressable router using superconducting qubits

Nel mondo dell'informatica moderna, spostare informazioni da un luogo all'altro è un compito fondamentale. Per decenni, gli ingegneri hanno costruito sistemi sofisticati per indirizzare i pacchetti di dati attraverso le reti, assicurando che un messaggio inviato da un computer raggiunga la destinazione corretta senza andare perduto. Questo processo, noto come instradamento (routing), si basa su una chiara distinzione tra il messaggio stesso e l'indirizzo che dice dove deve andare. Nel mondo classico, queste due cose sono separate: il dato è il contenuto, e l'indirizzo è un'etichetta fissa scritta in un linguaggio che il router comprende. Tuttavia, il campo emergente del calcolo quantistico introduce un vincolo profondo: gli stati quantistici, che contengono l'informazione in queste nuove macchine, non possono essere copiati. Questa regola, nota come teorema di non clonazione, significa che la delicata informazione all'interno di un sistema quantistico non può essere duplicata e inviata lungo più percorsi simultaneamente. Di conseguenza, i vecchi metodi di instradamento non funzionano. Per costruire un futuro internet quantistico o una memoria quantistica che possa accedere ai dati istantaneamente, gli scienziati hanno bisogno di un nuovo tipo di router. Questo dispositivo deve essere in grado di leggere un indirizzo quantistico — una direzione che esiste in uno stato di incertezza, dove il percorso non è ancora deciso — e guidare il segnale quantistico di conseguenza, il tutto senza distruggere la fragile informazione che trasporta.

Un team di ricercatori della Stanford University e della University of Chicago ha costruito e testato con successo un tale dispositivo, un router quantistico in grado di gestire sia il segnale che l'indirizzo in modo completamente quantomeccanico. Lo chiamano Q2-router. Per capire ciò che hanno realizzato, immaginate un incrocio stradale in cui la luce del semaforo stesso non è un colore fisso rosso o verde, ma una sovrapposizione di entrambi i colori. In un incrocio standard, la luce detta il flusso. In questa versione quantistica, la "luce" è un bit quantistico, o qubit, che può trovarsi in uno stato di essere sia rosso che verde contemporaneamente. Il compito del router è quello di far passare l'auto sia attraverso la luce rossa che quella verde simultaneamente, inviando l'auto su entrambe le strade in un colpo solo, ma in un modo che mantenga intatta l'identità dell'auto. I ricercatori hanno costruito questo router utilizzando un piccolo chip contenente quattro circuiti superconduttori, che agiscono come atomi artificiali. Questi circuiti sono raffreddati a temperature vicine allo zero assoluto per minimizzare le interferenze. Il chip include un qubit di ingresso, dove l'informazione entra, due qubit di uscita, dove l'informazione può uscire, e un qubit di commutazione (switch), che funge da indirizzo quantistico.

Il cuore dell'esperimento si basa su una specifica interazione tra questi circuiti. I ricercatori hanno progettato il chip in modo che i qubit di ingresso e di commutazione abbiano una connessione forte e intrinseca che ne cambia il comportamento a seconda dello stato del commutatore. Quando lo switch è in uno stato, permette all'informazione di fluire verso la prima uscita; quando è in un altro stato, la dirige verso la seconda uscita. La genialità del loro design risiede nel fatto che se lo switch è in una sovrapposizione di entrambi gli stati, il router dirige naturalmente l'informazione in una sovrapposizione di entrambi gli output. Ciò avviene senza la necessità di istruzioni esterne o complessi cambiamenti di cablaggio durante il processo. Il dispositivo utilizza un tipo specifico di porta, uno scambio controllato (controlled swap), che agisce come un tornello che si apre solo se lo switch è nella posizione corretta. Concatenando due di questi tornelli, hanno creato un protocolo di instradamento completo. Il team ha calibrato attentamente gli impulsi di energia microonde utilizzati per attivare queste porte, assicurandosi che l'informazione si muova rapidamente e accuratamente prima di avere la possibilità di degradarsi.

I risultati dell'esperimento sono stati misurati con alta precisione. I ricercatori hanno scoperto che il router ha indirizzato con successo l'informazione quantistica alla destinazione corretta circa il 95,3% delle volte in media. Questo livello di accuratezza è un traguardo significativo, poiché dimostra che il dispositivo funziona in modo deterministico, ovvero produce il risultato corretto ogni volta che viene eseguito, piuttosto che fare affidamento sul caso. Il team ha analizzato gli errori che hanno impedito la perfetta accuratezza e ha scoperto che erano causati principalmente dal decadimento naturale degli stati quantistici nel tempo e da piccole imperfezioni nella preparazione o nella misurazione degli stati. Hanno confermato che il dispositivo non stava fallendo a causa di un difetto nella logica dell'instradamento stesso. Testando il router con varie combinazioni di input e indirizzi classici e quantistici, hanno dimostrato che poteva gestire la forma più generale di instradamento, in cui sia il messaggio che la direzione sono quantistici. Questa capacità è essenziale per costruire la memoria ad accesso casuale quantistica (quantum random access memory), una tecnologia che permetterebbe ai computer quantistici di recuperare i dati da un grande archivio di memoria con la stessa velocità con cui li elaborano, una caratteristica che potrebbe accelerare algoritmi complessi di ricerca e simulazione.

I ricercatori hanno anche esplorato i limiti del loro dispositivo e hanno identificato chiari percorsi di miglioramento. Hanno notato che la velocità dell'instradamento è attualmente limitata dalla forza dell'interazione tra i qubit, e che rendere queste interazioni più forti o migliorare la durata dei qubit potrebbe aumentare ulteriormente le prestazioni. Hanno anche suggerito che l'aggiunta di un metodo per rilevare e scartare i tentativi falliti, noto come schema di cancellazione (erasure scheme), potrebbe aumentare significativamente l'affidabilità del sistema. Sebbene l'attuale dispositivo sia una prova di concetto, il suo successo suggerisce che tali router possano servire come blocchi costruttivi per reti quantistiche più ampie. La capacità di instradare l'informazione quantistica basata su un indirizzo quantistico è un passo critico verso la realizzazione di un internet quantistico funzionale, dove l'informazione può essere trasmessa ed elaborata su vaste distanze con la stessa flessibilità e potenza che definisce l'attuale internet classico. Questo lavoro sposta il campo dalle proposte teoriche a un componente tangibile e funzionante, portando la visione di una rete quantistica un passo più vicino alla realtà.