Il computer quantistico può funzionare a fotoni

Il transistor quantistico a semiconduttori, per il calcolo, oggi si basa su fotoni

I ricercatori dimostrano sul primo transistor a singolo fotone usando un chip semiconduttore: un singolo fotone, memorizzato in una memoria quantica, commuta lo stato di altri fotoni.                                                                                                                                            I transistor minuscoli interruttori sono il fondamento del moderno computing: miliardi di loro trasmettono segnali elettrici all’interno di uno smartphone, ad esempio.                                                            I computer quantistici abbisognano di hardware analogo per manipolare le informazioni quantistiche. I limiti di progettazione per questa nuova tecnologia sono rigorosi e i processori più avanzati di oggi non possono essere riutilizzati come dispositivi quantici. I vettori di informazioni quantistiche, soprannominati qubit, seguono regole diverse stabilite dalla fisica quantistica.                                                                                                                                           Si possono usare molti tipi di particelle quantistiche come qubit, anche i fotoni che costituiscono la luce. I fotoni aggiungono appeal perché possono trasferire rapidamente le informazioni su lunghe distanze e sono compatibili con i chip fabbricati. Tuttavia, fare un transistor quantistico innescato dalla luce è difficile perché richiede che i fotoni interagiscano tra loro, qualcosa che normalmente non avviene spontaneamente.                                                                                                                                             Al Joint Quantum Institute (JQI), Edo Waks, JQI, ha risolto questo ostacolo utilizzando il primo transistor a fotone singolo in un chip semiconduttore. È un dispositivo compatto: un milione di questi nuovi transistor può essere contenuto in un singolo granello di sale. È veloce, in grado di elaborare 10 miliardi di qubit fotonici ogni secondo.                                                “Usando il nostro transistor, -afferma Waks- saremmo presto in grado di eseguire porte quantiche tra i fotoni”. Il software in esecuzione su un computer quantico userebbe una serie di tali operazioni per raggiungere una velocità esponenziale per alcuni problemi computazionali.                                                                           Il chip fotonico è costituito da un semiconduttore con numerosi fori, molto simile a un nido d’ape. La luce che entra nel chip rimbalza e rimane intrappolata dal “motivo” piazzato nel buco; un piccolo cristallo chiamato punto quantico si trova all’interno dell’area in cui l’intensità della luce è più forte. Analogamente alla memoria convenzionale del computer, il punto memorizza le informazioni sui fotoni mentre entrano nel dispositivo. Il punto può attingere efficacemente a quella memoria per mediare le interazioni del fotone, quindi le azioni di un fotone influenzano gli altri che in seguito arrivano al chip.                                                                                                                            “In un transistor a singolo fotone -afferma Shuo Sun, autore principale, ricercatore postdottorato alla Stanford University- la memoria dei punti quantici deve persistere abbastanza a lungo da interagire con ogni qubit fotonico. Questo permette ad un singolo fotone di cambiare un flusso più grande di fotoni, essenziale per il nostro dispositivo che deve essere considerato un transistor.”                                                                                                                        Per verificare che il chip funzionasse come un transistor, è stato esaminato il modo in cui il dispositivo rispondeva a deboli impulsi di luce che di solito contenevano solo un fotone. In un ambiente normale, una luce così fioca potrebbe registrare a malapena. Tuttavia, in questo dispositivo, un singolo fotone rimane intrappolato per un lungo periodo, registrando la sua presenza nel punto vicino.                                                                                                                           Un singolo fotone poteva, interagendo con il punto, controllare la trasmissione di un secondo impulso luminoso attraverso il dispositivo. Il primo impulso luminoso agisce come una chiave, aprendo la porta per il secondo fotone per entrare nel chip. Se il primo impulso non conteneva alcun fotone, il punto bloccava i successivi fotoni. Questo comportamento è simile a un transistor convenzionale in cui una piccola tensione controlla il passaggio della corrente attraverso i suoi terminali. I ricercatori hanno sostituito con successo la tensione con un singolo fotone e hanno dimostrato che il loro transistor quantico poteva commutare un impulso luminoso contenente circa 30 fotoni prima che la memoria del punto quantico si esaurisse. Waks, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica dell’Università del Maryland, dice che il suo gruppo ha dovuto testare diversi aspetti delle prestazioni del dispositivo prima di far funzionare il transistor. “Finora, avevamo i singoli componenti, -afferma Waks-, necessari per creare un transistor a singolo fotone, ma qui abbiamo combinato tutti i passaggi in un unico chip”. Sun afferma che con miglioramenti ingegneristici realistici, consentirebbero di collegare molti transistor di luce quantistica. Dispositivi così veloci e altamente connessi alla fine porteranno a compatti computer quantici che elaborano un gran numero di qubit fotonici.

un transistor fotonico

Un chip grande come un atomo di fosforo

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 Piante intelligenti ci libereranno di muffe e radon in appartamento e produrranno luce

Le “piante intelligenti” potrebbero presto rilevare radon e muffe mortali nella nostra casa. Ispirati a rilevatori di fumo e…

Sorgente: Piante intelligenti ci libereranno di muffe e radon in appartamento e produrranno luce

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Con Dune LBNF e Pip II alla ricerca della natura dei neutrini

 

LBNF abbinato a DUNE: uno degli esperimenti internazionali sui neutrini di punta

L’esperimento di neutrini a lunga base internazionale .Il Neutrino sotterraneo profondo, ospitato dal Fermilab del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti : un progetto scientifico di punta per svelare i misteri dei neutrini.          I neutrini sono le particelle di materia più abbondanti nell’universo e sono tutt’intorno a noi, ma ne sappiamo molto poco. Studiando i neutrini, gli scienziati di LBNF e di DUNE avranno un’idea più chiara dell’universo e come funziona. Queste  ricerche potrebbe persino darci la chiave per capire perché viviamo in un universo dominato dalla materia . L’esperimento utilizzerà i potenti acceleratori di particelle del Fermilab per inviare il raggio più intenso del mondo di neutrini ad alta energia ai rivelatori di neutrini massivi di DUNE, che esploreranno le loro interazioni con la materia. Questo progetto di megascience internazionale si è svolto nel 2017, con la partecipazione di partner negli Stati Uniti e in tutto il mondo.

Per costruire e gestire LBNF  e  DUNE, il Fermilab riunisce oltre 1.000 scienziati di oltre 175 istituzioni in oltre 30 paesi. Il progetto si basa su competenze scientifiche e tecniche di università, laboratori e aziende in tutto il mondo : richiede rivelatori di particelle giganti, un intenso fascio di neutrini e un’infrastruttura internazionale per riunire tutto. Il progetto LBNF  e DUNE guiderà i progressi della scienza e dell’industria in tutto il mondo. Il modello di costruzione del progetto, i cui componenti sono costruiti negli Stati Uniti e in tutto il mondo, assicura che a ciascuno degli istituti e dei paesi partner vengano forniti vantaggi economici immediati in quanto i componenti vengono ricercati, costruiti e testati presso università, laboratori e aziende in tutto il mondo. Le scoperte derivate da questo sforzo rivoluzionario potrebbero cambiare la nostra comprensione dell’universo.

The Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE)

DUNE è costituito da due enormi rivelatori di particelle all’avanguardia: uno più piccolo al Fermilab in Illinois e uno molto più grande da costruire un miglio sotto la superficie del Sanford Underground Research Facility nel South Dakota. Il rilevatore del Dakota del Sud sarà il più grande del suo genere mai costruito e userà 70.000 tonnellate di argon liquido e tecnologia avanzata per registrare interazioni di neutrini con una precisione senza precedenti. I prototipi più piccoli del rilevatore di distanza DUNE sono in costruzione presso il laboratorio europeo CERN, e i rilevatori completi e i loro sistemi di calcolo sono progettati e costruiti da una collaborazione di scienziati provenienti da oltre 30 paesi.

La struttura del neutrino a base lunga (LBNF)

LBNF ospiterà il rivelatore lontano DUNE a un miglio di distanza a Sanford Lab, così come il rilevatore vicino più piccolo al Fermilab. I rivelatori DUNE necessitano di strutture sotterranee dotate di una complessa tecnologia criogenica per mantenerle alla temperatura operativa di meno 300 gradi Fahrenheit. Nei prossimi anni, 875.000 tonnellate di roccia saranno scavate nelle caverne sotterranee di Sanford Lab e verrà costruita una nuova struttura scientifica. Al Fermilab, verrà costruita una nuova linea di luce per inviare al Sud Dakota del Sud un intenso fascio di neutrini da laboratorio ad alta energia di 1.300 chilometri (attraverso pietra e terra, senza tunnel).

Il progetto Proton Improvement Plan II (PIP-II)

L’esperimento DUNE richiede il fascio di neutrini ad alta energia più ricco di particelle al mondo – e questo è esattamente ciò che PIP-II fornirà. Il complesso acceleratore di particelle del Fermilab produce già il fascio di neutrini ad alta energia più intenso al mondo, ma un nuovo acceleratore lineare superconduttore, costruito con partner in tutto il mondo, renderà questo raggio ancora più potente. Il nuovo acceleratore lineare PIP-II sarà costruito con l’ultima tecnologia superconduttiva a radiofrequenza sviluppata presso il Fermilab e, insieme ad altri miglioramenti del complesso dell’acceleratore, fornirà il miglior fascio di neutrini possibile per DUNE. PIP-II è il primo acceleratore da costruire negli Stati Uniti che avrà importanti contributi da partner internazionali.

I rovers di Hayabusa atterrano sull’asteroide Ryugu

I rover di Hayabusa 2  salteranno sulla superficie – fino a 15 metri di altezza e resteranno in aria per 15 minuti

Un paio di rover robot

I luoghi prescelti per l’atterraggio su Ryugu

sono atterrati su un asteroide (Ryugu) e hanno iniziato un sondaggio, ha comunicato l’agenzia spaziale giapponese, e quindi sta conducendo una missione che mira a far luce sulle origini del sistema solare.

La missione dei due rovers segna la prima osservazione robotizzata al mondo di una superficie di un asteroide, secondo la Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA).

I robot sono rotondi a forma di stagno ed hanno raggiunto con successo l’asteroide di Ryugu il giorno dopo essere stati rilasciati dalla sonda Hayabusa 2, ha sempre comunicato  l’agenzia JAXA.

“Ognuno dei rover  – viene precisato in una nota- funziona normalmente ed ha iniziato a sorvegliare la superficie di Ryugu”.

Sfruttando la bassa gravità degli asteroidi, i rover

                    I due rovers di Hayabusa2

salteranno sulla superficie – fino a 15 metri e resteranno nell’aria per 15 minuti – per esaminare le caratteristiche fisiche dell’asteroide.

“Sono così orgoglioso ,- ha detto il responsabile del progetto JAXA Yuichi Tsuda- che abbiamo stabilito un nuovo metodo di esplorazione dello spazio per piccoli corpi celesti”.

L’agenzia ha cercato, ma fallito nel 2005, di fare atterrare un rover su un altro asteroide dopo aver avviato una missione simile a quella su Ryugu.

Hayabusa 2 distribuirà il prossimo mese un “impattore” che esploderà sopra l’asteroide, sparando un oggetto di rame da due chili per far saltare un piccolo cratere sulla superficie.

Da questo cratere, la sonda raccoglierà materiali “freschi” non esposti a millenni di vento e radiazioni, sperando in risposte ad alcune domande fondamentali sulla vita e sull’universo, incluso al quesito fondamentale : se elementi dallo spazio hanno contribuito a dare origine alla vita sulla Terra.

La sonda rilascerà anche un veicolo di sbarco franco-tedesco denominato Mobile Asteroid Surface Scout (MASCOT) per l’osservazione della superficie.

Hayabusa 2, delle dimensioni di un grande frigorifero e dotato di pannelli solari, è il successore del primo esploratore di asteroidi di JAXA, Hayabusa –  che nella lingua giapponese, sta per falco.

Questa sonda è tornata da un asteroide più piccolo, a forma di patata, nel 2010 con campioni di polvere, nonostante varie battute d’arresto durante la sua epica missione della durata di sette anni ed è stata salutata come un trionfo scientifico.

La missione Hayabusa 2 è stata lanciata nel dicembre 2014 e tornerà sulla Terra con i suoi campioni solo nel 2020.

Transistor quantistico a singolo fotone per i computer quantici | Giuseppe Benanti

 

Il transistor quantistico a semiconduttori, per il calcolo, oggi basato su fotoni 

I ricercatori dimostrano sul primo transistor a singolo fotone usando un chip semiconduttore: un singolo fotone, memorizzato in una memoria quantica, commuta lo stato di altri fotoni. I transistor minuscoli interruttori sono il fondamento del moderno computing: miliardi di loro trasmettono segnali elettrici all’interno di uno smartphone, ad esempio. I computer quantistici

Chip nei computer quantistici

abbisognano di hardware analogo per manipolare le informazioni quantistiche. I limiti di progettazione per questa nuova tecnologia sono rigorosi e i processori più avanzati di oggi non possono essere riutilizzati come dispositivi quantici. I vettori di informazioni quantistiche, soprannominati qubit, seguono regole diverse stabilite dalla fisica quantistica. Si possono usare molti tipi di particelle quantistiche come qubit, anche i fotoni che costituiscono la luce. I fotoniaggiungono appeal perché possono trasferire rapidamente le informazioni su lunghe distanze e sono compatibili con i chip fabbricati. Tuttavia, fare un transistor quantistico innescato dalla luce è difficile perché richiede che i fotoni interagiscano tra loro, qualcosa che normalmente non avviene spontaneamente. Al Joint Quantum Institute (JQI), Edo Waks dell’JQI, ha risolto questo ostacolo utilizzando il primo transistor a fotone singolo in un chip semiconduttore. E’ un dispositivo compatto: un milione di questi nuovi transistor può essere contenuto in un singolo granello di sale. È veloce, in grado di elaborare 10 miliardi di qubit fotonici ogni secondo. “Usando il nostro transistor, -afferma Waks– saremmo presto in grado di eseguire porte quantiche tra i fotoni”. Il software in esecuzione su un computer quantico userebbe una serie di tali operazioni per raggiungere una velocità esponenziale per alcuni problemi computazionali.Il chip fotonico

Un transistor fotonico

è costituito da un semiconduttore con numerosi fori, molto simile a un nido d’ape. La luce che entra nel chip rimbalza e rimane intrappolata dal “motivo” piazzato nel buco; un piccolo cristallo chiamato punto quantico si trova all’interno dell’area in cui l’intensità della luce è più forte. Analogamente alla memoria convenzionale del computer, il puntomemorizza le informazioni sui fotoni mentre entrano nel dispositivo. Il punto può attingere efficacemente a quella memoria per mediare le interazioni del fotone, quindi le azioni di un fotone influenzano gli altri che in seguito arrivano al chip. “In un transistor a singolo fotone -afferma Shuo Sun, ricercatore post-dottorato alla Stanford University- la memoria dei punti quantici deve persistere abbastanza a lungo da interagire con ogni qubit fotonico. Questo permette ad un singolo fotone di cambiare un flusso più grande di fotoni, essenziale per il nostro dispositivo che deve essere considerato un transistor.” Per verificare che il chip funzionasse come un transistor, è stato esaminato il modo in cui il dispositivo rispondeva a deboli impulsi di luce che di solito contenevano solo un fotone. In un ambiente normale, una luce così fioca potrebbe registrare a malapena. Tuttavia, in questo dispositivo, un singolo fotone rimane intrappolato per un lungo periodo, registrando la sua presenza nel punto vicinoUn singolo fotone poteva, interagendo con il punto, controllare la trasmissione di un secondo impulso luminoso attraverso il dispositivoIl primo impulso luminoso  dunque,agisce come una chiave, aprendo la porta per il secondo fotone per entrare nel chipSe il primo impulso non conteneva alcun fotone, il punto bloccava i successivi fotoni. Un comportamento simile a un transistor convenzionale in cui una piccola tensione controlla il passaggio della corrente attraverso i suoi terminali. I ricercatori hanno sostituito con successo la tensione con un singolo fotone e hanno dimostrato che il loro transistor quantico poteva commutare un impulso luminoso contenente circa 30 fotoni prima che la memoria del punto quantico si esaurisseWaks, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica dell’Università del Maryland, dice che il suo team ha dovuto testare diversi aspetti delle prestazioni del dispositivo prima di far funzionare il transistor. “Finora, avevamo i singoli componenti, -afferma Waks-, necessari per creare un transistor a singolo fotone, ma qui abbiamo combinato tutti i passaggi in un unico chip”. Sun afferma che con miglioramenti ingegneristici realistici , consentirebbero di collegare molti transistor di luce quantistica. Dispositivi così veloci e altamente connessi alla fine porteranno a compatti computer quantici che elaborano un gran numero di qubit fotonici.