La computazione quantistica è oggi un campo di ricerca estremamente diversificato, nel quale vengono esplorati differenti modi di codificare, manipolare e processare l’informazione quantistica.
Accanto ai sistemi a variabili discrete, come quelli basati sui qubit superconduttivi, esiste un approccio che utilizza variabili continue, come le quadrature del campo elettromagnetico. Questa strategia, ampiamente sviluppata nell’ottica quantistica, sta suscitando un interesse crescente anche nel dominio delle microonde.
In questo contesto, un gruppo di ricerca che coinvolge l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM), il Politecnico di Torino e l’Università degli Studi di Palermo ha dimostrato la generazione programmabile di differenti configurazioni di stati quantistici entangled. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Communications nell’articolo Programmable microwave cluster states via Josephson metamaterials.
Il lavoro si concentra sui cluster states, ovvero stati quantistici composti da più elementi fortemente correlati tra loro, che costituiscono una risorsa fondamentale per il measurement-based quantum computing. In questo paradigma il calcolo non viene eseguito applicando una sequenza di porte logiche, ma attraverso una serie controllata di misure sugli elementi del cluster state.
Utilizzando un amplificatore parametrico a onda viaggiante basato su giunzioni Josephson, chiamato JTWPA, il gruppo di ricerca ha generato radiazione a microonde caratterizzata da correlazioni quantistiche tra differenti modi in frequenza. Controllando le interazioni all’interno del dispositivo, è stato possibile ottenere cluster states programmabili costituiti da quattro modi.
La loro struttura può essere modificata agendo sulle frequenze e sulle fasi dei segnali applicati all’amplificatore. In questo modo è possibile selezionare quali modi devono interagire e riconfigurare le connessioni tra loro. Nel corso dell’esperimento, lo stesso dispositivo è stato impiegato per realizzare cluster states lineari, ciclici, a stella e completamente connessi.
La possibilità di generare configurazioni differenti con un unico componente superconduttivo è interessante anche in prospettiva di scalabilità. Il JTWPA opera infatti su un’ampia banda di frequenze, all’interno della quale possono essere definiti molteplici modi del campo elettromagnetico.
Il lavoro non costituisce ancora la realizzazione di un computer quantistico measurement-based su larga scala, ma dimostra alcuni degli elementi necessari per muoversi in questa direzione: generazione di entanglement multimodale, controllo della struttura delle correlazioni, riconfigurabilità e possibilità di sfruttare molti modi all’interno di un unico dispositivo a larga banda.
I risultati aprono così una possibile strada verso architetture programmabili e scalabili per la computazione quantistica a variabili continue nel dominio delle microonde.