Le Scienze - 04.2020

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la possibilità di una maggiore sicurezza nella distribuzione delle

chiavi, i qudit promettono anche una maggiore casualità nella ge-

nerazione di numeri veramente casuali, un’altra possibile applica-

zione dei computer quantistici.

Nonostante questi pregi, i sistemi basati sui qudit hanno alcu-

ne controindicazioni. È difficile trovare sistemi fisici stabili in cui

tutti gli stati di base siano ugualmente facili da raggiungere. Un si-

stema potrebbe per esempio tendere verso il suo stato di energia

più bassa, lo stato fondamentale, e i calcoli risultanti potrebbero

esserne condizionati. Un secondo ostacolo è semplicemente che

questa linea di ricerca è più recente dei qubit e così sono stati svi-

luppati meno algoritmi e strumenti per i qudit. Sebbene ci sia an-

cora molto da fare, il numero stesso di problemi aperti rende que-

sta area di ricerca entusiasmante e ricca di potenzialità.

Verso un computer quantistico

Allora, come si passa dal nostro semplice esperimento con la

tripla fenditura a un sistema di qutrit funzionante? Il primo passo

è generare singoli fotoni.

Iniziamo con un fascio laser molto intenso, che orientiamo ver-

so uno speciale materiale cristallino. In certe condizioni, circa un

fotone ogni 10^8 -10^10 si divide in due fotoni di energia inferiore in

un fenomeno chiamato «conversione». I fotoni «figli» appaiono

sempre in coppia. Ne misuriamo uno usando un rivelatore di sin-

goli fotoni, e questa misurazione annuncia la presenza dell’altro

fotone perché sappiamo che sono stati prodotti simultaneamen-

te. Possiamo quindi usare il secondo fotone per gli esperimenti.

Nel lavoro del nostro gruppo abbiamo manipolato le caratteri-

stiche del fotone «madre» per essere certi che quelle dei fotoni fi-

gli fossero uguali. Il fotone madre è diretto verso tre fenditure e il

suo profilo spaziale imita quindi il profilo della tripla fenditura. I

fotoni figli, a loro volta, mantengono questo profilo. Il fotone entra

in una sovrapposizione che ci dà un qutrit «contenitore» i cui tre

stati base sono le posizioni delle tre fenditure.

Questo qutrit che abbiamo creato è però molto lontano da quel-

lo che serve per un computer quantistico. Dovremmo usare il no-

stro sistema di fessure per generare numerosi qutrit e poi inserir-

li in un’architettura formata da porte logiche in grado di usarli per

fare calcoli. Quest’area è al centro dell’attuale lavoro del mio grup-

po. Dobbiamo progettare gli elementi ottici specifici necessari per

queste manipolazioni e quindi miniaturizzare il tutto in modo che

possa costituire un sistema di calcolo funzionante.

La tripla fenditura rappresenta quindi lo yin e lo yang della ri-

cerca fisica: fondamentale e applicata. La nostra ricerca sul prin-

cipio di sovrapposizione e il primo termine correttivo misurato

indaga i concetti fondamentali della fisica. Al contempo, i qudit

a tripla fenditura rappresentano un’impresa tecnologica nel pro-

gresso verso il calcolo quantistico e le comunicazioni quantistiche

a dimensione superiore. Questo esperimento fisico, il più famoso

fra tutti, continua a offrire nuove idee e possibilità. Q

APPLICAZIONI POTENZIALI

Fotone

Parete con le fenditure

(dall’alto)

A

B

C

Sovrapposizione

delle tre

possibilità

Calcolo quantistico con i qutrit

Per avere un computer quantistico con un certo numero totale di stati

possibili abbiamo bisogno di meno qutrit rispetto ai qubit bidimensionali.

Questa proprietà è vantaggiosa perché più sono i bit in un computer

quantistico, più è probabile che perda le sue proprietà quantistiche.

Generare un qutrit usando un singolo fotone

Quando un fotone (una particella di luce) procede verso le fenditure, ha

la stessa probabilità di attraversarne una qualsiasi. Una particella classica

ne attraverserebbe una sola, ma una quantistica può di fatto attraversarle

tutte e tre, assumendo uno stato di sovrapposizione delle tre posizioni

simultaneamente: il fotone si può usare come «qutrit» con tre stati base.

QUBIT

Anche un bit

quantistico ha due

stati base, ma può

trovarsi in entrambi

simultaneamente.

Il numero totale di

stati è 2n, dove n è

il numero di qubit.

Due qubit danno

22 = 4 stati.

QUTRIT

Un qutrit ha tre stati

base e fornisce un

numero totale di

stati possibili pari

a 3n. Per esempio,

due qutrit ne danno

32 = 9.

BIT

Il bit di un

computer classico

ha due stati

base, come un

interruttore della

luce. Può trovarsi

solo nell’uno o

nell’altro. Con

due bit abbiamo

quattro stati

possibili.

Dalle fessure ai qutrit

al calcolo quantistico

I computer quantistici promettono elaborazioni più veloci rispetto al-

le macchine classiche. La maggior parte dei bit quantistici, detti qubit,

hanno due possibili stati (stati base), come i bit tradizionali, mentre

può essere vantaggioso usare bit quantistici con tre o più stati base.

Ruling Out Multi-Order Interference in Quantum Mechanics. Sinha U. e altri,

in «Science», Vol. 329, pp. 418-421, 23 luglio 2010.

Measuring the Deviation from the Superposition Principle in Interference

Experiments. Rengaraj G. e altri, in «New Journal of Physics», Vol. 20, pp. 1-19,

giugno 2018.

La dualità di materia e luce. Englert B.-G., Scully M.O. e Walther H.,

in «Le Scienze» n. 318, febbraio 1995.

PER APPROFONDIRE