Si prevede che il calcolo quantistico efficiente consentirà progressi impossibili con i computer classici. Scienziati dal Giappone e da Sydney hanno collaborato e hanno proposto un nuovo design bidimensionale che può essere costruito utilizzando la tecnologia dei circuiti integrati esistente. Questo design risolve i problemi tipici che affliggono l'attuale imballaggio tridimensionale per computer quantistici ingranditi, avvicinando di un passo il futuro.

L'informatica quantistica sta diventando sempre più al centro dell'attenzione degli scienziati in campi come la fisica e la chimica, e industriali nel settore farmaceutico, aereo, e industrie automobilistiche. Globalmente, i laboratori di ricerca di aziende come Google e IBM stanno spendendo ingenti risorse per migliorare i computer quantistici, e con buona ragione. I computer quantistici utilizzano i fondamenti della meccanica quantistica per elaborare quantità significativamente maggiori di informazioni molto più velocemente rispetto ai computer classici. Si prevede che quando si ottiene il calcolo quantistico corretto per gli errori e tollerante ai guasti, il progresso scientifico e tecnologico avverrà su una scala senza precedenti.

Ma costruire computer quantistici per il calcolo su larga scala si sta rivelando una sfida in termini di architettura. Le unità di base di un computer quantistico sono i "bit quantici" o "qubit". Questi sono tipicamente atomi, ioni, fotoni, particelle subatomiche come elettroni, o elementi ancora più grandi che esistono contemporaneamente in più stati, consentendo di ottenere rapidamente diversi potenziali risultati per grandi volumi di dati. Il requisito teorico per i computer quantistici è che questi siano disposti in array bidimensionali (2-D), dove ogni qubit è sia accoppiato con il suo vicino più vicino che connesso alle linee e ai dispositivi di controllo esterni necessari. Quando il numero di qubit in un array viene aumentato, diventa difficile raggiungere i qubit all'interno dell'array dal bordo. La necessità di risolvere questo problema ha finora portato a complessi sistemi di cablaggio tridimensionali (3-D) su più piani in cui si intersecano molti fili, rendendo la loro costruzione una sfida ingegneristica significativa.

Un gruppo di scienziati della Tokyo University of Science, Giappone, RIKEN Centro per la scienza della materia emergente, Giappone, e Università della Tecnologia, Sidney, guidato dal prof. Jaw-Shen Tsai, propone una soluzione unica a questo problema di accessibilità dei qubit modificando l'architettura dell'array di qubit. "Qui, risolviamo questo problema e presentiamo una microarchitettura superconduttiva modificata che non richiede alcuna tecnologia di linea esterna 3D e ritorna a un design completamente planare, " scrivono. Lo studio è stato pubblicato nel Nuovo Giornale di Fisica .

Gli scienziati hanno iniziato con una matrice reticolare quadrata di qubit e hanno allungato ogni colonna nel piano 2-D. Hanno poi piegato ogni colonna successiva una sopra l'altra, formando un doppio array unidimensionale chiamato array bilineare. Ciò ha messo tutti i qubit al limite e ha semplificato la disposizione del sistema di cablaggio richiesto. Il sistema è 2-D. In questa nuova architettura, parte del cablaggio inter-qubit - ogni qubit è anche collegato a tutti i qubit adiacenti in un array - si sovrappone, ma poiché queste sono le uniche sovrapposizioni nel cablaggio, sono sufficienti semplici sistemi locali 3-D come i ponti aerei nel punto di sovrapposizione e il sistema nel complesso rimane in 2-D. Come puoi immaginare, questo ne semplifica notevolmente la costruzione.

Gli scienziati hanno valutato la fattibilità di questa nuova disposizione attraverso una valutazione numerica e sperimentale in cui hanno testato la quantità di segnale trattenuta prima e dopo il passaggio attraverso un ponte aereo. I risultati di entrambe le valutazioni hanno mostrato che è possibile costruire ed eseguire questo sistema utilizzando la tecnologia esistente e senza alcuna disposizione 3D.

Gli esperimenti degli scienziati hanno anche mostrato loro che la loro architettura risolve diversi problemi che affliggono le strutture 3D:sono difficili da costruire, c'è diafonia o interferenza di segnale tra le onde trasmesse su due fili, e i fragili stati quantistici dei qubit possono degradarsi. Il nuovo design pseudo-2-D riduce il numero di volte in cui i fili si incrociano, riducendo così la diafonia e di conseguenza aumentando l'efficienza del sistema.

In un momento in cui i grandi laboratori di tutto il mondo stanno cercando di trovare modi per costruire computer quantistici tolleranti ai guasti su larga scala, i risultati di questo nuovo ed entusiasmante studio indicano che tali computer possono essere costruiti utilizzando la tecnologia dei circuiti integrati 2-D esistente. "Il computer quantistico è un dispositivo informativo che dovrebbe superare di gran lunga le capacità dei computer moderni, " Afferma il prof Tsai. La ricerca in questa direzione è iniziata solo con questo studio, e il prof Tsai conclude dicendo, "Stiamo progettando di costruire un circuito su piccola scala per esaminare ed esplorare ulteriormente la possibilità".