I computer quantistici hanno il potenziale per rivoluzionare il modo in cui risolviamo i problemi di hard computing, dalla creazione di intelligenza artificiale avanzata alla simulazione di reazioni chimiche per creare la prossima generazione di materiali o farmaci. Ma in realtà costruire tali macchine è molto difficile perché coinvolgono componenti esotici e devono essere mantenute in ambienti altamente controllati. E quelli che abbiamo finora non possono ancora superare le macchine tradizionali.

Ma con un team di ricercatori del Regno Unito e della Francia, abbiamo dimostrato che potrebbe essere possibile costruire un computer quantistico da componenti elettronici convenzionali a base di silicio. Ciò potrebbe aprire la strada alla produzione su larga scala di computer quantistici molto prima di quanto sarebbe altrimenti possibile.

La potenza teorica superiore dei computer quantistici deriva dalle leggi della nanoscala o fisica "quantistica". A differenza dei computer tradizionali, che memorizzano informazioni in bit binari che possono essere "0" o "1, " I computer quantistici utilizzano bit quantistici (o qubit) che potrebbero trovarsi in una combinazione di "0" e "1" allo stesso tempo. Questo perché la fisica quantistica consente alle particelle di trovarsi contemporaneamente in stati o luoghi diversi.

Lo sviluppo dei computer quantistici è ancora agli inizi e sono disponibili diverse tecnologie hardware senza che una sola sia ancora dominante. I prototipi più avanzati sono attualmente costituiti da poche decine di ioni intrappolati in una camera a vuoto o da circuiti superconduttori mantenuti a una temperatura prossima allo zero assoluto.

La sfida cruciale è trasformare questi piccoli dimostratori in grandi sistemi qubit interconnessi che avranno una potenza di calcolo sufficiente per eseguire compiti utili più velocemente dei classici supercomputer. A tal fine, un'altra tecnologia potrebbe eventualmente rivelarsi più adatta. Abbastanza sorprendentemente, questa potrebbe essere la stessa tecnologia che oggi abilita la nostra società digitale, il transistor al silicio, l'unità di base delle informazioni presenti in tutti i microprocessori e chip di memoria.

Ci sono due ragioni principali per cui realizzare un computer quantistico con il silicio ha un'aura di grande interesse intorno ad esso. Primo, l'incessante miniaturizzazione dei dispositivi al silicio guidata dalla Legge di Moore ha permesso la produzione di transistor larghi solo poche decine di atomi. Questa è la scala alla quale le leggi della fisica quantistica iniziano ad applicarsi.

Questo rappresenta un limite fisico che ha bloccato ogni ulteriore miniaturizzazione dei transistor al silicio. Ma ha anche promosso nuovi usi della tecnologia al silicio, nota come elettronica More-than-Moore. La principale tra queste nuove direzioni è la possibilità di codificare un bit quantico di informazioni in ciascun transistor al silicio, e poi usarli per costruire computer quantistici su larga scala.

Riutilizzando la stessa tecnologia che l'industria dei microchip ha gestito negli ultimi 60 anni, potremmo anche sfruttare precedenti investimenti infrastrutturali multimiliardari e ridurre i costi. Ciò significa che tutta l'ingegneria e l'elaborazione intelligenti che sono servite allo sviluppo della moderna microelettronica potrebbero essere adattate per costruire processori quantistici sempre più potenti.

Chip quantistico di silicio

Gli esperimenti recentemente condotti dai nostri team di collaborazione all'Università di Cambridge, Ricerca e sviluppo Hitachi, University College London e CEA-LETI in Francia, e pubblicato in Elettronica della natura suggeriscono che questo matrimonio tra elettronica convenzionale e quantistica può essere davvero celebrato. Abbiamo preso soluzioni ingegneristiche da circuiti in silicio convenzionali e le abbiamo applicate per interconnettere diversi dispositivi quantistici su un chip. Ciò ha avvicinato ulteriormente la realizzazione pratica dei processori quantistici.

Abbiamo sviluppato un circuito che funziona a una temperatura prossima allo zero assoluto e impiega tutti i transistor commerciali. Alcuni di questi sono così piccoli che possono essere usati come qubit, mentre altri sono leggermente più grandi e possono essere utilizzati per connettersi a diversi qubit. Questa architettura è notevolmente simile a quella utilizzata per la memoria ad accesso casuale (RAM) nei laptop e smartphone di oggi.

Nell'ultimo mezzo secolo o giù di lì, i computer ordinari si sono evoluti da armadietti delle dimensioni di una stanza pieni di tubi a vuoto agli odierni dispositivi portatili basati su microchip. C'è ancora molta strada da fare prima che diventi disponibile un computer quantistico a tutti gli effetti, ma la storia può benissimo ripetersi. L'attuale progresso della ricerca suggerisce che i primi processori quantistici potrebbero essere realizzati prima con qualche tecnologia esotica. Ma ora che abbiamo appreso che il silicio può essere utilizzato per interconnettere in modo efficiente i qubit, il futuro quantistico potrebbe essere fatto di silicio.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.