Con questo materiale sarà possibile allungare la vita dei qubit e creare i prossimi computer quantistici privi di errori.
Progettare materiali che conducono l’elettricità in un modo mai visto prima, creare farmaci ‘à la carte’ introducendo una serie di parametri oggi impensabili per i nostri attuali computer, eseguire in pochi secondi operazioni che la tecnologia attuale impiegherebbe milioni di anni per eseguire. L’informatica quantistica che sfrutta fenomeni che si verificano solo a livello degli atomi – e che sembrano fantascienza, poiché vanno dal teletrasporto alla sincronizzazione a distanze di migliaia di chilometri – è promessa come una rivoluzione per le società dei prossimi decenni. Ci sono però ancora molti ostacoli da risolvere, come, ad esempio, la fragilità dei sistemi che fa sì che questa tecnologia, per il momento, commetta molti errori e sia inaffidabile. Ora, un gruppo composto da ricercatori delle università di Manchester (Regno Unito) e Melbourne (Australia) ha compiuto un passo che potrebbe essere fondamentale per creare i computer quantistici del futuro: un silicio così puro da aumentare la vita di qubit effimeri, il che significa che hanno meno errori. I risultati sono stati appena pubblicati in ‘ Comunication Materials ‘, appartenente alla rivista ‘Nature’.
Come funziona un computer quantistico
I computer classici, quelli che usiamo tutti, parlano un linguaggio chiamato “bit”: utilizzando una combinazione di circuiti elettrici e logici, elaborano e memorizzano informazioni, rappresentate in uno e zeri, a seconda della presenza o dell’assenza di un segnale elettrico. Nell’informatica quantistica, questi bit sono diversi: come il gatto di Schrödinger, vivo e morto allo stesso tempo, questi bit quantistici (qubit) possono essere zero e uno allo stesso tempo. E questo permette loro, a differenza dei computer classici, che fanno un calcolo dopo l’altro, di effettuare tutti i calcoli contemporaneamente. Ecco perché la quantità di informazioni e il modo in cui vengono elaborate crescono in modo esponenziale, aprendo la possibilità di calcoli molto complessi a una velocità ineguagliata dai sistemi classici. Ad esempio: dieci qubit hanno la stessa potenza di elaborazione di 1.024 bit in un normale computer. Non solo: potenzialmente possono occupare un volume molto più piccolo, dell’ordine dei millimetri. La differenza è tale che il controverso termine ” supremazia quantistica ” è stato addirittura coniato per quei compiti svolti dai sistemi quantistici che in pratica sono impossibili da risolvere per i computer classici (sostanzialmente perché utilizzerebbero così tante risorse e così tanto tempo – nell’ordine di migliaia di anni – che sarebbe impraticabile utilizzarli in questi casi). E maggiore è il numero di qubit, maggiore è il numero di errori. Gli scienziati ritengono che un computer quantistico perfettamente funzionante avrà bisogno di circa un milione di qubit, ovvero molte unità che possono guastarsi.
La chiave: il silicio
Il silicio è il materiale fondamentale dell’informatica classica grazie alle sue proprietà di semiconduttore. Sebbene esistano diversi metodi per avvicinarsi ai sistemi quantistici, gli autori di questo studio ritengono che questo materiale potrebbe essere utilizzato anche nei prossimi computer di questo tipo. In effetti, gli scienziati hanno trascorso gli ultimi 60 anni imparando come progettare il silicio affinché funzioni al massimo delle sue capacità. Tuttavia, le sfide crescono ancora di più se parliamo di calcolo quantistico. Il silicio naturale (Si) è composto da tre atomi di massa diversa (chiamati isotopi): silicio 28, 29 e 30. Tuttavia, il Si-29, che costituisce circa il 5% del silicio, provoca un effetto di “spostamento nucleare” che fa sì che il qubit perda informazioni. Questo nuovo lavoro ha trovato un modo per ingegnerizzare il silicio in modo da eliminare gli isotopi 29 e 30, rendendolo il silicio più puro al mondo e aprendo la strada alla creazione di un milione di qubit che, sostengono gli autori, “potrebbero essere ricavati da dimensioni di la testa di uno spillo”. ”Il grande vantaggio del calcolo quantistico al silicio è che utilizza le stesse tecniche utilizzate per produrre chip elettronici, attualmente all’interno di un comune computer costituito da miliardi di transistor. Questo materiale può essere utilizzato per creare qubit di silicio di alta qualità, cosa che fino ad ora era in parte limitata dalla purezza del materiale. Questa idea risolve il problema”, afferma Ravi Acharya, ricercatore presso l’Università di Manchester e uno degli autori della ricerca.
Qubit che sopravvivono oltre i 30 secondi
In una ricerca precedentemente pubblicata su “Nature Nanotechnology”, l’Università di Melbourne ha stabilito (e detiene tuttora) il record mondiale di coerenza di un singolo qubit – il tempo in cui può sopravvivere senza “corrompersi” – di 30 secondi utilizzando silicio con un grado di purificazione inferiore. Quel tempo è sufficiente per completare calcoli quantistici complessi e privi di errori. “Ora che possiamo produrre silicio-28 estremamente puro, il nostro prossimo passo sarà dimostrare che possiamo mantenere la coerenza quantistica per molti qubit contemporaneamente.” “Un computer quantistico affidabile con soli 30 qubit supererebbe la potenza degli attuali supercomputer per alcune applicazioni“, afferma David Jamieson, dell’Università di Melbourne e autore dello studio. La nuova funzionalità offre una tabella di marcia verso dispositivi quantistici scalabili con prestazioni e capacità senza precedenti e promette di trasformare le tecnologie in modi difficili da immaginare. “Ora che possiamo produrre silicio-28 estremamente puro, il nostro prossimo passo sarà dimostrare che possiamo mantenere la coerenza quantistica per molti qubit contemporaneamente.” “Un computer quantistico affidabile con soli 30 qubit sarebbe già in grado di superare la potenza dei migliori computer classici di oggi per alcune applicazioni”, afferma David Jamieson dell’Università di Melbourne. “La nostra tecnica apre la strada a robusti computer quantistici che promettono cambiamenti radicali in tutta la società, anche nell’intelligenza artificiale, nella sicurezza dei dati e delle comunicazioni, nella progettazione di vaccini e farmaci, nell’uso dell’energia, nella logistica e nella produzione”.
