Gate quantistiche teletrasportate incondizionatamente tra registri di qubit solidi remoti

Collegare computer quantistici su distanza

I computer quantistici sperimentali odierni sono piccoli e fragili, ma molte idee future si basano sul collegarli in una sorta di internet quantistico. Questo studio dimostra che due minuscoli processori a base di diamante, collocati in criostati separati e connessi soltanto da fibra ottica e fili classici, possono eseguire un'operazione congiunta cruciale come se fossero un’unica macchina. Questa capacità è un mattoncino per la comunicazione sicura a lunga distanza, il potente calcolo distribuito e i test dei fondamenti della fisica quantistica.

Un nuovo tipo di controllo remoto

Nell'informatica ordinaria, inviare informazioni tra macchine è semplice: i bit vengono copiati e spostati. I dispositivi quantistici sono diversi, perché leggere uno stato quantistico, o qubit, di solito ne distrugge la fragile coerenza. Invece di spedire qubit avanti e indietro, i teorici hanno proposto di “teletrasportare” l’effetto di una porta quantistica da un nodo all'altro. La ricetta di base è prima creare entanglement tra due qubit remoti, poi usare operazioni locali e risultati di misure condivise per far agire una porta in modo non locale. La sfida chiave è farlo deterministicamente, senza scartare le esecuzioni non riuscite, in modo che l’operazione si comporti come un vero elemento affidabile in circuiti quantistici più grandi.

Chip di diamante che suonano in concerto

I ricercatori usano difetti nel diamante noti come centri di vacanza dell'azoto, che ospitano uno spin elettronico che interagisce con spini nucleari di carbonio-13 vicini. In ciascuno dei due setup separati, soprannominati Alice e Bob, lo spin elettronico funge da qubit di comunicazione, mentre un nucleo di carbonio agisce come qubit dati a lunga vita. Microonde guidano gli spin elettronici, onde radio controllano uno degli spin nucleari e impulsi laser finemente sintonizzati gestiscono l'inizializzazione, la lettura e la creazione di entanglement mediante fotoni inviati attraverso fibra ottica. Una tensione applicata ai chip di diamante regola il colore dei fotoni emessi in modo che entrambi i nodi producano luce indistinguibile, requisito per un entanglement remoto affidabile.

Mantenere vivi stati fragili durante il networking

Mentre i due nodi tentano ripetutamente di generare entanglement interferendo singoli fotoni a un divisore di fascio centrale, gli spin nucleari devono conservare silenziosamente l'informazione quantistica. In pratica, la loro fase deriva lentamente perché sono debolmente accoppiati agli spin elettronici attivi. Per contrastare questo effetto, il team sviluppa strategie di controllo specifiche per nodo. Un nodo guida direttamente il proprio spin nucleare con impulsi a radiofrequenza intrecciati a decoupling dinamico sull'elettrone, mentre l'altro nodo plasma sequenze di impulsi a microonde in modo che il moto dell'elettrone imponga fasi correttive precise sul nucleo. Tracciando quante tentativi di entanglement sono avvenuti e regolando le fasi in tempo reale, mantengono la coerenza del qubit dati per centinaia di tentativi, abbastanza a lungo da completare le operazioni non locali.

Costruire e testare stati quantistici in rete

Con questi strumenti, il team prima compone uno stato Greenberger–Horne–Zeilinger (GHZ) a quattro qubit distribuito tra entrambi i nodi. Questo stato altamente correlato collega i due spin elettronici e i due spin nucleari in una singola risorsa quantistica condivisa. È importante che accettino ogni risultato di misura e applichino correzioni al volo, invece di selezionare solo le esecuzioni di successo. Lo stato misurato corrisponde a simulazioni dettagliate e raggiunge una fedeltà sufficiente a certificare un entanglement genuino a quattro parti tra i nodi. Questo esperimento mette sotto stress l'intero stack: controllo locale, generazione di entanglement remoto, misure a metà circuito e feedforward in tempo reale.

Una porta quantistica che salta tra macchine

Infine, gli autori dimostrano il risultato principale: una porta controlled-NOT (CNOT) tra i due qubit dati nucleari remoti. Usando un circuito basato sul teletrasporto, convertono l'entanglement condiviso degli spin elettronici e le operazioni locali in una porta effettiva che capovolge lo spin nucleare di Bob solo quando quello di Alice è in uno stato particolare. Verificano la tabella di verità classica preparando stati di input determinati e controllando le uscite, e confermano il comportamento genuinamente quantistico generando entanglement tra i qubit dati distanti mediante una singola applicazione della porta teletrasportata. Le fedeltà osservate concordano bene con modelli di errore basati su impulsi imperfetti, limitata indistinguibilità dei fotoni e occasionali errori nella lettura a metà circuito.

Cosa significa per il futuro quantistico

Per un non specialista, il messaggio chiave è che due minuscoli processori quantistici, separati nello spazio e collegati dalla luce, possono ora eseguire un'operazione logica condivisa in modo completamente incondizionato. Piuttosto che limitarsi a condividere entanglement e poi selezionare con cura le esecuzioni migliori, il sistema accetta tutti i risultati e li corregge al volo, caratteristica essenziale per la scalabilità. Pur richiedendo ulteriori miglioramenti nei tassi di errore, le tecniche qui mostrate indicano la strada verso computer quantistici distribuiti più grandi, protocolli di rete più complessi e, in ultima istanza, un internet quantistico funzionante in cui molti piccoli dispositivi cooperano come uno solo.

Citazione: Iuliano, M., Demetriou, N., van Ommen, H.B. et al. Unconditionally teleported quantum gates between remote solid-state qubit registers. Nat Commun 17, 4694 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72818-6

Parole chiave: reti quantistiche, gate quantistiche teletrasportate, centri di vacanza dell'azoto, calcolo quantistico distribuito, entanglement remoto