Un computer quantistico funzionale è una delle promesse più intriganti della tecnologia quantistica. Con una potenza di calcolo notevolmente aumentata, i computer quantistici saranno in grado di risolvere compiti che i computer convenzionali non possono gestire, come comprendere e inventare nuovi materiali o prodotti farmaceutici, nonché testare i limiti delle tecniche crittografiche.

Come nei computer convenzionali, il termine bit quantistico o qubit si riferisce all'unità di base nell'informazione quantistica. Attualmente, gli approcci più avanzati per realizzarli sono i circuiti superconduttori e gli ioni intrappolati. Il primo immagazzina informazioni quantistiche in componenti elettronici, quest'ultimo nei diversi livelli energetici dei singoli atomi. Utilizzando circuiti superconduttori, i ricercatori sono recentemente riusciti a dimostrare che i computer quantistici sono in grado di eseguire compiti altamente specializzati che i computer convenzionali non sono in grado di gestire. Però, a differenza di qualsiasi altro approccio, ioni producono tassi di errore significativamente più bassi nelle operazioni.

Al fine di ridurre ulteriormente i tassi di errore e fornire operazioni affidabili molto più velocemente, i ricercatori dell'Università Leibniz di Hannover e della Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) hanno ora sviluppato un nuovo metodo. I loro risultati sono stati pubblicati nell'ultimo numero della rivista scientifica Lettere di revisione fisica .

Nel loro approccio, gli ioni vengono intrappolati sotto vuoto utilizzando campi elettrici al di sopra di una struttura a chip. Le operazioni Qubit vengono implementate inviando segnali a microonde attraverso speciali anelli di conduttori incorporati nella struttura del chip. Generalmente, le operazioni logiche vengono eseguite tramite raggi laser controllati con estrema attenzione. L'utilizzo dei campi a microonde ha il vantaggio di essere relativamente facili da controllare e di una tecnologia altamente matura poiché sono onnipresenti in numerosi prodotti, dagli aerei ai telefoni cellulari.

Nell'ambito dello studio, i ricercatori hanno studiato i metodi più efficienti per le operazioni sui qubit. Questo è anche un problema molto rilevante nei chip dei computer convenzionali, poiché la quantità di energia necessaria per operazione determina quanti di essi possono essere elaborati al secondo prima che il chip inizi a surriscaldarsi. Per quanto riguarda i computer quantistici a microonde a trappola ionica, i ricercatori sono riusciti a dimostrare che impulsi a microonde dalla forma specifica, dove il campo si accende e si spegne senza intoppi, producono tassi di errore 100 volte inferiori a quelli in cui i campi vengono semplicemente accesi e spenti, a parità di energia assorbita e nonostante la presenza di rumore. Per questo scopo, il team ha introdotto nell'esperimento del rumore aggiuntivo e attentamente controllato e ha determinato gli errori operativi per i vari livelli di rumore iniettato e per entrambe le forme di impulso. "Questo ha fatto un'enorme differenza per il nostro esperimento, " disse Giorgio Zarantonello, uno degli autori dello studio. "Nel passato, trovare operazioni adatte ha comportato molti tentativi ed errori, nonché un lungo processo di ottimizzazione prima di cogliere un momento con pochissimo rumore. Tutto quello che dobbiamo fare ora è avviare l'esperimento e funziona".

Dopo aver dimostrato che sono possibili operazioni di base con bassi tassi di errore, i ricercatori ora mirano a trasferire i loro risultati a compiti più complessi. L'intenzione è quella di ottenere meno di un errore ogni diecimila operazioni, ovvero quando il ridimensionamento a un numero elevato di qubit diventa efficiente. Per questo compito, hanno già sviluppato una tecnologia di microfabbricazione brevettata che supporta l'archiviazione e la manipolazione di un gran numero di qubit nelle strutture di un chip.