"Se questo progetto avrà successo, causerà una rivoluzione nell'informatica".

Questa è la previsione di Michael Manfra, Bill e Dee O'Brien della Purdue University Professore di Fisica e Astronomia, Professore di Ingegneria dei Materiali e Professore di Ingegneria Elettrica e Informatica, su una nuova collaborazione rafforzata a lungo termine tra Purdue e Microsoft Corp. per costruire un computer quantistico robusto e scalabile producendo quello che gli scienziati chiamano un "qubit topologico".

Il presidente della Purdue Mitch Daniels ha osservato che Purdue era la sede del primo dipartimento di informatica negli Stati Uniti, e afferma che questa partnership e il lavoro di Manfra collocano l'università in prima linea nell'informatica quantistica.

"Un giorno l'informatica quantistica passerà dal laboratorio all'uso quotidiano effettivo, e quando lo fa, segnerà un'altra esplosione di potenza di calcolo come quella provocata dal chip di silicio, "Dice Daniels. "È emozionante immaginare Purdue al centro di questo prossimo balzo in avanti".

Nei computer che attualmente usiamo ogni giorno, le informazioni sono codificate in un sistema binario di bit, quelli che sono comunemente considerati 1 e 0. Questi computer sono basati su transistor al silicio, quale, come un interruttore della luce, può essere solo in posizione on o off.

Con i computer quantistici, le informazioni sono codificate in qubit, che sono unità quantistiche di informazione. Con un qubit, però, questo stato fisico non è solo 0 o 1, ma può anche essere una combinazione lineare di 0 e 1. A causa di uno strano fenomeno della meccanica quantistica chiamato "sovrapposizione, "un qubit può trovarsi in entrambi gli stati contemporaneamente.

Questa caratteristica è essenziale per la potenza potenziale del calcolo quantistico, consentendo soluzioni a problemi che sono intrattabili utilizzando architetture classiche.

I sostenitori dell'informatica quantistica credono che questa tecnologia mai vista prima creerà una nuova "economia quantistica" globale.

Il team assemblato da Microsoft lavorerà su un tipo di computer quantistico che dovrebbe essere particolarmente robusto contro le interferenze dall'ambiente circostante, una situazione nota nell'informatica quantistica come "decoerenza". Il "computer quantistico topologico scalabile" è teoricamente più stabile e meno soggetto a errori.

"Una delle sfide nell'informatica quantistica è che i qubit interagiscono con il loro ambiente e perdono le loro informazioni quantistiche prima che i calcoli possano essere completati, " Dice Manfra. "Il calcolo quantistico topologico utilizza qubit che memorizzano informazioni "non localmente" e le sorgenti di rumore esterne hanno un effetto minore sul qubit, quindi ci aspettiamo che sia più robusto."

Manfra afferma che la sfida più entusiasmante associata alla costruzione di un computer quantistico topologico è che il team Microsoft deve risolvere simultaneamente problemi di scienza dei materiali, fisica della materia condensata, ingegneria elettrica e architettura informatica.

"Questo è il motivo per cui Microsoft ha riunito un insieme così diversificato di persone di talento per affrontare questo problema su larga scala, " Dice Manfra. "Nessuna persona o gruppo può essere esperto in tutti gli aspetti".

Purdue e Microsoft hanno stipulato un accordo nell'aprile 2016 che estende la loro collaborazione alla ricerca sull'informatica quantistica, stabilendo efficacemente "Stazione Q Purdue, " uno dei siti di ricerca sperimentale "Stazione Q" che lavorano a stretto contatto con due siti teorici "Stazione Q".

Il nuovo, accordo pluriennale estende tale collaborazione, e include dipendenti Microsoft integrati nel team di ricerca di Manfra a Purdue.

Il gruppo di Manfra a Station Q Purdue collaborerà con Redmond, Membri del team Microsoft con sede a Washington, così come un gruppo sperimentale globale istituito da Microsoft che include gruppi sperimentali presso l'Istituto Niels Bohr dell'Università di Copenhagen in Danimarca, TU Delft nei Paesi Bassi, e l'Università di Sydney, Australia. Sono anche accoppiati ai teorici della Microsoft Station Q a Santa Barbara. Tutti i gruppi stanno lavorando insieme per risolvere le maggiori sfide dell'informatica quantistica.

"La cosa eccitante è che stiamo facendo la scienza e l'ingegneria mano nella mano, allo stesso tempo, " Dice Manfra. "Siamo fortunati a far parte di questo team globale davvero straordinario".

Il matematico e vincitore della Medaglia Fields Michael Freedman guida la Stazione Q di Microsoft a Santa Barbara lavorando sull'informatica quantistica.

"C'è un altro pianeta informatico là fuori, e noi, collettivamente, stanno per atterrare su di esso. È davvero come ai vecchi tempi dell'esplorazione fisica e molto più interessante che chiudersi in una bottiglia e viaggiare nello spazio. Troveremo un fantastico mondo invisibile una volta che avremo computer quantistici programmabili per uso generale, " Afferma Freedman. "Michael Manfra e la Purdue University saranno un collaboratore chiave in questo viaggio. Non sono interessato a fattorizzare i numeri, ma risolvendo problemi di chimica e scienza dei materiali, e più ambiziosamente l'intelligenza artificiale. Curiosamente, abbiamo bisogno di una grande scienza dei materiali e della fisica dei trasporti – il lavoro di Mike Manfra – per costruire i sistemi che useremo per fare il calcolo quantistico e, così, per inaugurare la prossima era della scienza dei materiali."

Il ruolo di Purdue nel progetto sarà quello di far crescere e studiare semiconduttori ultrapuri e sistemi ibridi di semiconduttori e superconduttori che possono formare la piattaforma fisica su cui è costruito un computer quantistico. Il gruppo di Manfra ha esperienza in una tecnica chiamata epitassia a fascio molecolare, e questa tecnica sarà utilizzata per costruire sistemi di elettroni a bassa dimensionalità che costituiscono la base per i bit quantistici, o qubit.

Il lavoro a Purdue sarà svolto nel Birck Nanotechnology Center nel Discovery Park dell'università, così come nel Dipartimento di Fisica e Astronomia. La struttura di Birck ospita il sistema epitassia a fasci molecolari multicamera, in cui tre camere di fabbricazione sono collegate sotto vuoto ultra spinto. Contiene anche la fabbricazione in camera bianca e gli strumenti di caratterizzazione dei materiali necessari. Presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia saranno condotti laboratori per la misura a bassa temperatura delle proprietà elettroniche dei materiali.

Certo Garimella, vicepresidente esecutivo per la ricerca e le partnership, e Goodson Distinguished Professor di ingegneria meccanica di Purdue, afferma che gli strumenti e i laboratori trovati nel Discovery Park hanno permesso a Purdue di diventare un leader mondiale in diverse aree.

"Combinando queste strutture leader a livello mondiale con i nostri docenti incredibilmente talentuosi e competenti, come il professor Manfra, ha posto Purdue in prima linea nella ricerca e nello sviluppo delle nanotecnologie, nanoelettronica, elettronica di nuova generazione basata su transistor al silicio, e informatica quantistica. Avere Purdue contribuire alla costruzione del primo computer quantistico al mondo è un sogno che diventa realtà per noi, " lui dice.