Scienziati e ingegneri dell'Università di Sydney e della Microsoft Corporation hanno aperto il prossimo capitolo della tecnologia quantistica con l'invenzione di un singolo chip in grado di generare segnali di controllo per migliaia di qubit, gli elementi costitutivi dei computer quantistici.

"Per realizzare il potenziale dell'informatica quantistica, le macchine dovranno operare migliaia se non milioni di qubit, " ha detto il professor David Reilly, un progettista del chip che ricopre una posizione congiunta con Microsoft e l'Università di Sydney.

"I più grandi computer quantistici del mondo attualmente funzionano con appena 50 qubit circa, " ha detto. "Questa piccola scala è in parte dovuta ai limiti dell'architettura fisica che controlla i qubit".

"Il nostro nuovo chip pone fine a questi limiti."

I risultati sono stati pubblicati in Elettronica della natura .

La maggior parte dei sistemi quantistici richiede bit quantistici, o qubit, per operare a temperature prossime allo zero assoluto (-273,15 gradi). Questo per evitare che perdano la loro 'quantità', il carattere della materia o della luce di cui i computer quantistici hanno bisogno per eseguire i loro calcoli specializzati.

Affinché i dispositivi quantistici possano fare qualcosa di utile, hanno bisogno di istruzioni. Ciò significa inviare e ricevere segnali elettronici da e verso i qubit. Con l'attuale architettura quantistica, che coinvolge molti fili.

"Le macchine attuali creano una bella serie di fili per controllare i segnali; sembrano un nido d'uccello dorato o un lampadario capovolto. Sono carini, ma fondamentalmente impraticabile. Significa che non possiamo scalare le macchine per eseguire calcoli utili. C'è un vero collo di bottiglia input-output, " disse il professor Reilly, anche un investigatore capo presso l'ARC Center for Engineered Quantum Systems (EQUS) .

Ingegnere hardware senior Microsoft, Dottor Kushal Das, un inventore congiunto del chip, ha dichiarato:"Il nostro dispositivo elimina tutti quei cavi. Con solo due fili che trasportano informazioni come input, può generare segnali di controllo per migliaia di qubit.

"Questo cambia tutto per l'informatica quantistica".

Il chip di controllo è stato sviluppato presso i Microsoft Quantum Laboratories dell'Università di Sydney, una partnership unica tra industria e accademia che sta cambiando il modo in cui gli scienziati affrontano le sfide ingegneristiche.

"Costruire un computer quantistico è forse il compito ingegneristico più impegnativo del 21° secolo. Questo non può essere raggiunto lavorando con un piccolo team in un laboratorio universitario in un singolo paese, ma ha bisogno della scala offerta da un gigante della tecnologia globale come Microsoft, " Ha detto il professor Reilly.

"Attraverso la nostra partnership con Microsoft, non abbiamo solo suggerito un'architettura teorica per superare il collo di bottiglia input-output, l'abbiamo costruito.

"Lo abbiamo dimostrato progettando un chip di silicio personalizzato e accoppiandolo a un sistema quantistico, " ha detto. "Sono sicuro di poter dire che questo è il circuito integrato più avanzato mai costruito per funzionare a temperature criogeniche profonde".

Se realizzato, i computer quantistici promettono di rivoluzionare la tecnologia dell'informazione risolvendo problemi che vanno oltre l'ambito dei computer classici in campi diversi come la crittografia, medicinale, finanza, intelligenza artificiale e logistica.

Bilancio energetico

I computer quantistici sono in una fase simile a quella dei computer classici negli anni '40. Macchine come ENIAC, il primo computer elettronico al mondo, stanze necessarie dei sistemi di controllo per realizzare qualsiasi funzione utile.

Ci sono voluti decenni per superare le sfide scientifiche e ingegneristiche che ora consentono a miliardi di transistor di adattarsi al tuo telefono cellulare.

"La nostra industria sta affrontando sfide forse ancora più grandi per portare l'informatica quantistica oltre la fase ENIAC, " Ha detto il professor Reilly.

"Dobbiamo progettare chip di silicio altamente complessi che funzionino a 0,1 Kelvin, " ha detto. "Questo è un ambiente 30 volte più freddo dello spazio profondo".

La ricerca di dottorato del dottor Sebastian Pauka presso l'Università di Sydney ha compreso gran parte del lavoro per interfacciare i dispositivi quantistici con il chip. Ha detto:"Funzionare a temperature così fredde significa che abbiamo un budget energetico incredibilmente basso. Se proviamo a mettere più energia nel sistema, surriscaldare il tutto."

Per raggiungere il loro risultato, gli scienziati di Sydney e Microsoft hanno costruito il circuito integrato più avanzato per funzionare a temperature criogeniche.

"Lo abbiamo fatto progettando un sistema che opera in prossimità dei qubit senza disturbare le loro operazioni, " disse il professor Reilly.

"Gli attuali sistemi di controllo per i qubit vengono rimossi a pochi metri dall'azione, per così dire. Esistono principalmente a temperatura ambiente.

"Nel nostro sistema non dobbiamo uscire dalla piattaforma criogenica. Il chip è proprio lì con i qubit. Ciò significa minore potenza e velocità più elevate. È un vero sistema di controllo per la tecnologia quantistica".

Anni di ingegneria

"Scoprire come controllare questi dispositivi richiede anni di sviluppo ingegneristico, " Ha detto il professor Reilly. "Per questo dispositivo abbiamo iniziato quattro anni fa quando l'Università di Sydney ha iniziato la sua partnership con Microsoft, che rappresenta il singolo più grande investimento nella tecnologia quantistica in Australia.

"Abbiamo costruito molti modelli e librerie di progettazione per catturare il comportamento dei transistor a temperature criogeniche profonde. Poi abbiamo dovuto costruire dispositivi, farli verificare, caratterizzati e infine collegarli ai qubit per vederli funzionare in pratica."

Vice-Rettore e Preside dell'Università di Sydney, Professor Stephen Garton, ha dichiarato:"L'intera comunità universitaria è orgogliosa del successo del professor Reilly e attendiamo con impazienza molti anni di collaborazione continua con Microsoft".

Il professor Reilly ha affermato che il campo è ora radicalmente cambiato. "Non si tratta solo di 'ecco il mio qubit'. Si tratta di come si costruiscono tutti i livelli e tutta la tecnologia per costruire una vera macchina.

'La nostra partnership con Microsoft ci consente di lavorare con rigore accademico, con il vantaggio di vedere i nostri risultati messi rapidamente in pratica."

Il Vice Cancelliere (Ricerca), Professor Duncan Ivison, ha dichiarato:"La nostra partnership con Microsoft ha riguardato la realizzazione della visione ispirata di David Reilly per abilitare la tecnologia quantistica. È fantastico vedere quella visione diventare realtà".

Il professor Reilly ha dichiarato:"Se fossimo rimasti solo nel mondo accademico questo chip non sarebbe mai stato costruito".

Lo scienziato australiano ha detto che non si fermerà qui.

"Siamo appena all'inizio di questa nuova ondata di innovazione quantistica, " ha detto. "La cosa grandiosa della partnership è che non pubblichiamo solo un documento e andiamo avanti. Ora possiamo continuare con il progetto per realizzare la tecnologia quantistica su scala industriale".