Computer quantistici più vicini con il qubit “vestito”
È 10 volte più stabile di quelli realizzati fino a oggi: il campo magnetico in cui è immerso lo rende migliore per l’elaborazione dei dati
APPROFONDIMENTO – La “corsa allo spazio del XXI secolo” non ha nulla a che fare con lo spazio, ma si sta correndo sulla Terra. Con i piedi ben saldati, i ricercatori e gli ingegneri lavorano per costruire i computer quantistici e un nuovo passo avanti arriva dall’Australia, dove i ricercatori della University of New South Wales hanno progettato e realizzato un nuovo quantum bit, detto qubit, che è 10 volte più stabile di quelli realizzati fino ad oggi.
Un qubit “vestito”, che differisce da quelli “spogliati” per il forte campo elettromagnetico in cui è immerso. Rendendolo più longevo nella sua sovrapposizione di stati, il campo elettromagnetico lo rende anche migliore per l’elaborazione dei dati in un futuro computer quantistico, destinato alla progettazione ed elaborazione di materiali avanzati, di farmaci complessi o anche a ricerche rapide in database massicci e dove i dati non sono differenziati.
Qubit, cosa sono?
I qubit sono gli elementi costitutivi dei moderni computer quantistici e sono necessari per il loro funzionamento. Nei computer “classici”, basati sulla tecnologia al silicio, le unità fondamentali sono i bit, un’unità fisica che compone un chip e che esprime tutte le informazioni nel sistema binario, dove i valori di codifica sono 0 e 1. Nei computer quantistici invece si lavora con elettroni ed atomi. Il qubit è infatti un oggetto molto potente. Un elettrone o un atomo, immerso in un campo elettromagnetico, in grado di elaborare e codificare un’enorme quantità di informazioni contemporaneamente. Partendo da una sovrapposizione di stati iniziali è infatti in grado di elaborare i differenti input tutti nello stesso momento, cosa che con i computer “classici” non può avvenire.
Qubit da “spogliato” a “vestito”: che cosa cambia
Il nuovo qubit realizzato dai ricercatori della University of New South Wales è costituto dallo spin di un singolo atomo di silicio accoppiato a un campo elettromagnetico. Proprio per la presenza del campo elettromagnetico, il qubit è stato definito “vestito”, e l’accoppiamento con il campo ne ha reso la longevità 10 volte più stabile di un qubit “spogliato”, un atomo o un elettrone orientato ma non accoppiato.
Arne Laucht, primo autore della ricerca pubblicata sulla rivista Nature Nanotechnology, spiega che il qubit “vestito” migliora significativamente l’affidabilità dei computer quantistici del futuro, che cominciano ad avvicinarsi sempre più al nostro presente. Questi qubit infatti possiedono una velocità e una potenza di calcolo in grado di processare differenti input tutti nello stesso momento. Andrea Morello, a capo del gruppo di ricerca e program manager del Centre for Quantum Computation and Communication Technology, ha spiegato in un comunicato: “Il più grande ostacolo nell’utilizzo di oggetti quantistici è di preservare la loro delicata sovrapposizione abbastanza a lungo da permetterci di eseguire calcoli utili. Il nostro programma di ricerca decennale ha già raggiunto il più longevo quantum bit allo stato solido, codificando l’informazione quantistica nello spin di un singolo atomo di fosforo in un chip di silicio, posizionato in un campo magnetico statico”.
Questo solo il primo passo condotto da Laucht, Morello e colleghi. Quello successivo è stato di implementare un nuovo modo di codificare le informazioni, sottoponendo l’atomo a un potente campo magnetico, in continua oscillazione nelle frequenze delle microonde. Il risultato è stato quello di ridefinire il quantum bit come lo spin dell’atomo rispetto al campo a microonde. Non solo si è così giunti alla definizione del qubit “vestito”, ma anche la stabilità e la longevità sono aumentate. Infatti la costante oscillazione a una frequenza molto elevata del campo elettromagnetico implica che ogni rumore o disturbo a qualsiasi frequenza abbia effetto nullo sul qubit. Questo porta a un aumento di un fattore 10 del tempo durante il quale la sovrapposizione quantistica viene preservata in modo sicuro, permettendo una quantità di calcoli maggiore, ma anche una migliore qualità nel trattamento dell’informazione.
“Questo nuovo qubit ‘vestito’ – ha spiegato Morello – può essere controllato in una varietà di modi che sarebbero impraticabili con un qubit ‘spogliato’. Per esempio, può essere controllato attraverso una semplice modulazione delle frequenze del campo a microonde, come accade nelle frequenze radio FM. Il qubit spogliato al contrario richiede di variare l’ampiezza dei campi di controllo dentro e fuori, come accade con le frequenze radio AM. In un certo senso, questo è il motivo per cui il qubit ‘vestito’ è più immune al rumore: l’informazione quantistica è controllata dalla frequenza, che è solida come una roccia, mentre l’ampiezza può essere facilmente influenzata dal rumore esterno”.
Qubit e computer quantistici: a che punto siamo?
Il gruppo della University of New South Wales lavora da oltre dieci anni alla costruzione di un processore quantistico che sia potente e affidabile e con il nuovo risultato ottenuto ora è riuscito nella costruzione di un processore quantistico che si basa sulla tecnologia al silicio, quella già utilizzata oggi per i moderni computer. Il lavoro è stato finanziato per 70 milioni di dollari non solo dall’università, ma anche dagli stessi ricercatori, dalle imprese e dal governo australiano: così è nato il primo prototipo che cerca di vincere la sfida della “corsa allo spazio del XXI secolo”.
Il qubit “vestito” rappresenta un primo e decisamente concreto passo verso la costruzione di un computer quantistico che permetterà incrementi in velocità ed efficienza nell’elaborazione dei dati rispetto ai computer tradizionali, basati anch’essi sulla tecnologia al silicio. La capacità di calcolo dei qubit “vestiti” permetterà di svolgere ricerche in grandi database, dove i dati non sono catalogati, ma anche di risolvere complicati set di equazioni. Una funzionalità che trova applicazione in finanza ma anche in diversi settori industriali, dallo sviluppo di nuovi materiali alla salute, con la progettazione di nuove componenti farmaceutiche che permetterebbero di ridurre la lunghezza dei trial clinici e il rischio di errori nei test. Anche per i governi i computer quantistici rappresenteranno una svolta nell’organizzazione della difesa e della sicurezza, uno strumento che in molti già temono possa causare una facile intrusione della privacy e forse un eccessivo controllo da parte delle autorità.
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