I computer quantistici saranno fatti di diamanti?

(Politecnico di Milano) – Un team proveniente da diversi istituti internazionali (Politecnico di Milano, Università di Calgary, Università di Kyoto e IFN-CNR di Trento) per la prima volta ha fabbricato dei circuiti fotonici in diamante, caratterizzati da una potenza di calcolo infinitamente superiore rispetto ai computer tradizionali. I circuiti fotonici sono l’equivalente ottico dei circuiti elettrici: invece di elettroni che si muovono in un materiale conduttore, ci sono fotoni (luce) che vengono trasportati lungo percorsi ottici. Per la creazione di tali percorsi i ricercatori hanno utilizzato impulsi laser ai femtosecondi che, grazie alla loro durata estremamente breve, riescono a modificare le caratteristiche fisiche del diamante tracciando le linee che costituiscono il circuito.

Tali circuiti mettono in comunicazione i “difetti” presenti nel diamante che possono essere sfruttati come bit “quantistici”. Vediamo come.

Quando si pensa al diamante, ci si immagina un materiale puro con un perfetto reticolo di atomi di carbonio. Nel reticolo, invece, sono presenti dei difetti, seppur rari, come i centri “nitrogen vacancy” (NV) in cui, al posto di due atomi di carbonio adiacenti, si trova un atomo di azoto accanto ad un posto libero nel reticolo. Questi difetti sono casualmente distribuiti nel volume del diamante (uno ogni miliardo di atomi di carbonio), ed hanno proprietà speciali in quanto lo spin dell’elettrone che orbita intorno ai difetti può essere sfruttato come bit quantistico. Un bit quantistico (qubit) può assumere contemporaneamente il valore di 0 e 1, il che permette di aumentare esponenzialmente la velocità di calcolo rispetto ad un bit classico degli attuali computer.

Il team composto da Shane Eaton del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, insieme a Belen Sotillo, a Vibhav Bharadwaj, sotto la supervisione di Roberta Ramponi dell’IFN-CNR, è riuscito quindi a mettere in comunicazione diversi centri NV realizzando un vero e proprio circuito quantistico, il punto di partenza per la creazione di un computer quantistico.

Hanno partecipato allo studio anche Paul Barclay dell’Università di Calgary, Masaaki Sakakura dell’Università di Kyoto e Maurizio Ferrari dell’IFN-CNR di Trento. Oltre che dal progetto SIR (Scientific Independence of young Researchers) vinto da Shane Eaton per i giovani talenti in Italia, il lavoro è stato finanziato dai progetti Cariplo FemtoDiamante e EU CONCERT-Japan DiamondFab dell’IFN-CNR. Lo studio è stato pubblicato sulla rivisita Nature Scientific Reports.

Riferimenti: Diamond photonics platform enabled by femtosecond laser writing; Belén Sotillo, Vibhav Bharadwaj, J. P. Hadden, Masaaki Sakakura, Andrea Chiappini, Toney Teddy Fernandez, Stefano Longhi, Ottavia Jedrkiewicz, Yasuhiko Shimotsuma, Luigino Criante, Roberto Osellame, Gianluca Galzerano, Maurizio Ferrari, Kiyotaka Miura, Roberta Ramponi, Paul E. Barclay & Shane Michael Eaton; Scientific Reports

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