L'anno scorso, Google ha prodotto un computer quantistico da 53 qubit in grado di eseguire un calcolo specifico significativamente più veloce del supercomputer più veloce del mondo. Come la maggior parte dei più grandi computer quantistici di oggi, questo sistema vanta decine di qubit, le controparti quantistiche dei bit, che codificano le informazioni nei computer convenzionali.

Per realizzare sistemi più grandi e utili, la maggior parte dei prototipi odierni dovrà superare le sfide della stabilità e della scalabilità. Quest'ultimo richiederà l'aumento della densità di segnalazione e cablaggio, che è difficile da fare senza degradare la stabilità del sistema. Credo che un nuovo schema di cablaggio sviluppato negli ultimi tre anni dal Superconducting Quantum Electronics Research Team di RIKEN, in collaborazione con altri istituti, apre le porte al ridimensionamento fino a 100 o più qubit entro il prossimo decennio. Qui, discuto come.

Sfida uno:scalabilità

I computer quantistici elaborano le informazioni utilizzando interazioni delicate e complesse basate sui principi della meccanica quantistica. Per spiegarlo ulteriormente dobbiamo capire i qubit. Un computer quantistico è costruito da singoli qubit, che sono analoghi ai bit binari utilizzati nei computer convenzionali. Ma invece degli stati binari zero o uno di un bit, un qubit deve mantenere uno stato quantico molto fragile. Piuttosto che essere zero o uno, i qubit possono anche trovarsi in uno stato chiamato sovrapposizione, in cui sono in una sorta di stato di zero e uno allo stesso tempo. Ciò consente ai computer quantistici basati su qubit di elaborare i dati in parallelo per ogni possibile stato logico, zero o uno, e possono quindi eseguire in modo più efficiente, e quindi più veloce, calcoli rispetto ai computer convenzionali basati su bit per particolari tipi di problemi.

Però, è molto più difficile creare un qubit rispetto a un bit convenzionale, ed è necessario il pieno controllo sul comportamento quantomeccanico di un circuito. Gli scienziati hanno escogitato alcuni modi per farlo con una certa affidabilità. A RIKEN, un circuito superconduttore con un elemento chiamato giunzione Josephson viene utilizzato per creare un utile effetto quantomeccanico. In questo modo, i qubit possono ora essere prodotti in modo affidabile e ripetuto con tecniche di nanofabbricazione comunemente utilizzate nell'industria dei semiconduttori.

La sfida della scalabilità nasce dal fatto che ogni qubit necessita quindi di cablaggi e connessioni che producono controlli e letture con diafonia minima. Mentre passavamo davanti a piccoli array di qubit due per due o quattro per quattro, ci siamo resi conto di quanto densamente possa essere imballato il cablaggio associato, e abbiamo dovuto creare sistemi e metodi di fabbricazione migliori per evitare di incrociare i fili, letteralmente.

A RIKEN, abbiamo costruito una matrice di qubit quattro per quattro utilizzando il nostro schema di cablaggio, dove le connessioni a ciascun qubit sono realizzate verticalmente dal retro di un chip, piuttosto che un'interfaccia "flip chip" separata utilizzata da altri gruppi che porta i pad di cablaggio ai bordi di un chip quantistico. Ciò comporta una fabbricazione sofisticata con una fitta serie di vie superconduttive (connessioni elettriche) attraverso un chip di silicio, ma dovrebbe consentirci di scalare fino a dispositivi molto più grandi. Il nostro team sta lavorando a un dispositivo a 64 qubit, che speriamo di avere entro i prossimi tre anni. Questo sarà seguito da un dispositivo da 100 qubit in altri cinque anni come parte di un programma di ricerca finanziato a livello nazionale. Questa piattaforma dovrebbe in definitiva consentire fino a 1, 000 qubit da integrare su un singolo chip.

Sfida due:stabilità

L'altra grande sfida per i computer quantistici è come affrontare la vulnerabilità intrinseca dei qubit alle fluttuazioni o al rumore proveniente da forze esterne come la temperatura. Affinché un qubit funzioni, deve essere mantenuto in uno stato di sovrapposizione quantistica, o "coerenza quantistica". Agli albori dei qubit superconduttori, potremmo far durare questo stato solo per nanosecondi. Ora, raffreddando i computer quantistici a temperature criogeniche e creando molti altri controlli ambientali, possiamo mantenere la coerenza fino a 100 microsecondi. Poche centinaia di microsecondi ci permetterebbero di eseguire qualche migliaio di operazioni di elaborazione delle informazioni, in media, prima che si perda la coerenza.

In teoria, un modo per affrontare l'instabilità è usare la correzione degli errori quantistici, dove sfruttiamo diversi qubit fisici per codificare un singolo "qubit logico, " e applicare un protocollo di correzione degli errori in grado di diagnosticare e correggere gli errori per proteggere il qubit logico. Ma rendersi conto che questo è ancora lontano per molte ragioni, non ultimo dei quali è il problema della scalabilità.

Circuiti quantistici

Dagli anni '90, prima che l'informatica quantistica diventasse una cosa importante. Quando ho iniziato, Ero interessato a sapere se il mio team potesse creare e misurare stati di sovrapposizione quantistica all'interno di circuiti elettrici. Al tempo, non era affatto ovvio se i circuiti elettrici nel loro insieme potessero comportarsi in modo quantistico. Per realizzare un qubit stabile in un circuito e creare stati di attivazione e disattivazione nel circuito, il circuito doveva anche essere in grado di supportare uno stato di sovrapposizione.

Alla fine ci è venuta l'idea di utilizzare un circuito superconduttore. Lo stato superconduttore è esente da tutte le resistenze elettriche e perdite, e quindi è ottimizzato per rispondere a piccoli effetti quantomeccanici. Per testare questo circuito, abbiamo usato un'isola superconduttiva in microscala in alluminio, che era collegato a un elettrodo di massa superconduttore più grande tramite una giunzione Josephson, una giunzione separata da una barriera isolante spessa nanometri, e abbiamo intrappolato coppie di elettroni superconduttori che attraversavano la giunzione. A causa della piccolezza dell'isola in alluminio, potrebbe ospitare al massimo una coppia in eccesso a causa di un effetto noto come blocco di Coulomb tra coppie caricate negativamente. Gli stati di zero o una coppia in eccesso nell'isola possono essere usati come stato di un qubit. Il tunneling quantomeccanico mantiene la coerenza del qubit e permette di creare una sovrapposizione degli stati, che è completamente controllato con impulsi a microonde.

Sistemi ibridi

A causa della loro natura molto delicata, È improbabile che i computer quantistici saranno nelle case nel prossimo futuro. Però, riconoscendo gli enormi vantaggi dei computer quantistici orientati alla ricerca, colossi industriali come Google e IBM, così come molte start-up e istituti accademici in tutto il mondo, investono sempre di più nella ricerca.

Una piattaforma di calcolo quantistico commerciale con correzione completa degli errori è probabilmente ancora lontana più di un decennio, ma gli sviluppi tecnici all'avanguardia stanno già aprendo la possibilità di nuove scienze e applicazioni. I circuiti quantistici su scala più piccola svolgono già compiti utili in laboratorio.

Per esempio, usiamo la nostra piattaforma di circuiti quantistici superconduttori in combinazione con altri sistemi quantomeccanici. Questo sistema quantistico ibrido ci consente di misurare una singola reazione quantistica all'interno di eccitazioni collettive, che si tratti di precessioni di spin di elettroni in un magnete, vibrazioni del reticolo cristallino in un substrato, o campi elettromagnetici in un circuito, con una sensibilità senza precedenti. Queste misurazioni dovrebbero far progredire la nostra comprensione della fisica quantistica, e con esso l'informatica quantistica. Il nostro sistema è anche abbastanza sensibile da misurare un singolo fotone alle frequenze delle microonde, la cui energia è di circa cinque ordini di grandezza inferiore a quella di un fotone di luce visibile, senza assorbirlo o distruggerlo. La speranza è che questo serva come elemento costitutivo per le reti quantistiche che collegano moduli qubit distanti, tra l'altro.

Internet quantistico

L'interfacciamento di un computer quantistico superconduttore a una rete di comunicazione quantistica ottica è un'altra sfida futura per il nostro sistema ibrido. Questo sarebbe sviluppato in previsione di un futuro che include un Internet quantistico connesso tramite cablaggio ottico che ricorda l'Internet di oggi. Però, anche un singolo fotone di luce infrarossa a una lunghezza d'onda delle telecomunicazioni non può colpire direttamente un qubit superconduttore senza disturbare l'informazione quantistica, quindi un design accurato è un must. Stiamo attualmente studiando sistemi quantistici ibridi che trasducono segnali quantistici da un qubit superconduttore a un fotone infrarosso, e viceversa, tramite altri sistemi quantistici, come quello che coinvolge un minuscolo oscillatore acustico.

Sebbene molti problemi complessi debbano essere superati, gli scienziati possono vedere un futuro migliorato dai computer quantistici all'orizzonte. Infatti, la scienza quantistica è già nelle nostre mani ogni giorno. Transistor e diodi laser non sarebbero mai stati inventati senza un'adeguata comprensione delle proprietà degli elettroni nei semiconduttori, che si basa totalmente sulla comprensione della meccanica quantistica. Quindi, tramite smartphone e Internet, siamo già totalmente dipendenti dalla meccanica quantistica, e lo diventeremo ancora di più in futuro.