Quantistica, la luce che apre la scatola nera

C’è chi lo paragona a un telescopio. Il computer quantistico per alcuni è considerato come lo strumento che permetterà, in futuro, di guardare più lontano di un computer tradizionale. E di osservare in particolare cosa accade all’interno della materia nel mondo dell’infinitesimamente piccolo. Un dispositivo in grado di lavorare e risolvere problemi in maniera esponenzialmente più veloce. Realizzarlo è lo scopo di chi studia fisica e computazione quantistica. 
In questa corsa è impegnata anche l’Università di Trento con Mirko Lobino, docente di Fisica al Dipartimento di Ingegneria industriale, che ha recentemente portato la sua attività di ricerca su chip fotonici dall’Australia a Trento. Il professore è coinvolto in due progetti internazionali guidati dal collega Alberto Peruzzo, professore alla RMIT University.
La luce che spiega la materia. La ricerca apre la strada alla realizzazione di una piattaforma più compatta e adattabile per i processori fotonici classici e quantistici.
In questo primo studio i ricercatori hanno costruito un dispositivo fotonico integrato e riconfigurabile, in grado di riprodurre, attraverso raggi di luce, perturbazioni ambientali, effetti esterni, disordine e interferenze. Fenomeni quantistici che accadono all’interno della materia, difficili da osservare e misurare perché riguardano pochi elettroni.
Questo strumento consente di simulare le proprietà quantistiche dei materiali allo stato solido utilizzando la luce. È stato realizzato in niobato di litio, uno dei materiali più sfruttati per i modulatori elettro-ottici ad alta velocità. Al suo interno, una serie di minuscoli canali, lunghi pochi micrometri sono in grado di guidare la luce e in questo modo di ricreare il comportamento ondulatorio degli elettroni in un reticolo atomico.
L’apparecchio può essere riconfigurato più volte, modellando ad ogni esperimento un solido con proprietà diverse. Per la prima volta è stato utilizzato un unico dispositivo capace di simulare il trasporto elettronico in 2500 configurazioni diverse.
Con questo studio, spiegano i ricercatori, sono state dimostrate sperimentalmente diverse dinamiche fisiche su un singolo congegno. Che è controllabile, consente una rapida riconfigurazione con un basso consumo energetico ed è di dimensioni ridotte.
Il machine learning per la computazione quantistica. Il secondo studio utilizza per la prima volta l'apprendimento automatico per programmare chip fotonici riconfigurabili e controllare cosa accade all’interno di questi dispositivi quantistici.
I ricercatori hanno simulato un piccolo computer fotonico, su una scala di pochi quantum bit (la quantità minima d'informazione nel mondo quantistico).
Il problema si pone quando questi circuiti diventano più grandi. Ci sono in questo caso decine di migliaia di qubit. Controllarli diventa difficile, così come capire cosa avviene all’interno di questa vera e propria black- box. Una scatola nera di cui si vede il comportamento esterno, come cioè la luce reagisce in uscita (output) a una determinata sollecitazione in ingresso (input), ma il cui funzionamento interno è del tutto sconosciuto. Quello che gli studiosi vogliono fare è aprire questa scatola e svelarne i meccanismi. Come? Con l’impiego di tecniche di machine learning. Grazie ad algoritmi che riescano, da soli, a misurare e descrivere il processo di trasformazione della luce. 
La programmazione degli algoritmi e le procedure di controllo del chip fotonico sono state realizzate dal gruppo di studiosi di Alberto Peruzzo, professore al Royal Melbourne Institute of Technology.
Il contributo dell’ateneo trentino in entrambi i progetti. Il gruppo di lavoro guidato dal professor Lobino ha fabbricato interamente il dispositivo fotonico. Il docente se n’è occupato quando era all’Università di Griffith. Una volta rientrato in Italia ha proseguito i suoi studi sulla fotonica quantistica nei neo-installati Laboratori di Fotonica quantistica integrata dell’Università di Trento.
«Abbiamo costruito un chip fotonico – spiega lo studioso – che consente di ricreare al suo interno più di duemila diverse configurazioni di materiali solidi. Senza però avere alcun materiale. Al posto degli elettroni abbiamo utilizzato fasci laser. E siamo riusciti a vedere e a misurare gli effetti di quello che succede dentro il circuito».
«Nel campo della computazione quantistica – continua – uno degli aspetti fondamentali del quantum computer è che ci permetterà di simulare in maniera efficiente i materiali, ottimizzare reazioni chimiche o scoprire proprietà che magari ancora non sappiamo».
«Questi lavori – aggiunge Lobino – potrebbero aiutarci a controllare dispositivi fotonici molto complessi, senza perdere la descrizione fisica di quello che avviene». 
«Adesso abbiamo simulato il conosciuto, teorie che esistono – conclude il docente – ma potremmo provare a ingegnerizzare cose che oggi non esistono o che non abbiamo ancora visto».

Il primo studio, dal titolo “Programmable high-dimensional Hamiltonian in a photonic waveguide array”, è pubblicato sulla rivista scientifica Nature Communications ed è disponibile a questo link: www.nature.com/articles/s41467-023-44185-z
(DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-023-44185-z)
Il secondo studio, dal titolo “Experimental graybox quantum system identification and control”, è pubblicato sulla rivista Npj Quantum Information e si trova a questo link: https://www.nature.com/articles/s41534-023-00795-5
(DOI: http://doi.org/10.1038/s41534-023-00795-5)