Un nuovo studio delinea la necessità di progressi materiali nell'hardware necessario per realizzare computer quantistici se questi dispositivi futuristici devono superare le capacità dei computer che usiamo oggi.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Scienza da un team internazionale, ha esaminato lo stato della ricerca sull'hardware di calcolo quantistico con l'obiettivo di illustrare le sfide e le opportunità che devono affrontare scienziati e ingegneri.

Mentre i computer convenzionali codificano "bit" di informazione come uno e zero, i computer quantistici superano questa disposizione binaria creando "qubit, ' che può essere complesso, quantità continue. L'archiviazione e la manipolazione delle informazioni in questa forma esotica, e infine il raggiungimento del "vantaggio quantistico" in cui i computer quantistici fanno cose che i computer convenzionali non possono, richiede un controllo sofisticato dei materiali sottostanti.

"C'è stata un'esplosione nello sviluppo di tecnologie quantistiche negli ultimi 20 anni, " disse Nathalie de Leon, assistente professore di ingegneria elettrica e informatica all'Università di Princeton e autore principale dell'articolo, "culminando negli sforzi attuali per mostrare il vantaggio quantico per una varietà di compiti, dall'informatica e dalla simulazione al networking e al rilevamento."

Fino a poco tempo fa, la maggior parte di questo lavoro ha lo scopo di dimostrare dispositivi e processori quantistici proof-of-principle, de Leon ha detto, ma ora il campo è pronto per affrontare le sfide del mondo reale.

"Proprio come l'hardware informatico classico è diventato un campo enorme nella scienza e nell'ingegneria dei materiali nel secolo scorso, Penso che il campo delle tecnologie quantistiche sia ora maturo per un nuovo approccio, dove scienziati dei materiali, chimici, gli ingegneri dei dispositivi e altri scienziati e ingegneri possono portare in modo produttivo la loro esperienza per affrontare il problema".

Il documento è un invito agli scienziati che studiano i materiali per affrontare la sfida dello sviluppo di hardware per l'informatica quantistica, disse Hanhee Paik, autore corrispondente e membro del personale di ricerca presso IBM Quantum.

"Il progresso nelle tecnologie di calcolo quantistico ha accelerato negli ultimi anni sia nella ricerca che nell'industria, " Paik ha detto. "Per continuare ad andare avanti nel prossimo decennio, avremo bisogno di progressi nei materiali e nelle tecnologie di fabbricazione per l'hardware di calcolo quantistico, in modo simile a come l'informatica classica è progredita nel ridimensionamento dei microprocessori. Le scoperte non avvengono dall'oggi al domani, e speriamo che più persone nella comunità dei materiali inizino a lavorare sulla tecnologia di calcolo quantistico. Il nostro documento è stato scritto per offrire alla comunità dei materiali una panoramica completa di dove siamo nello sviluppo dei materiali nell'informatica quantistica con opinioni di esperti sul campo".

Al centro dei computer quantistici ci sono i qubit, che lavorano insieme per sfornare risultati.

Questi qubit possono essere realizzati in vari modi, con le tecnologie leader come qubit superconduttori, qubit realizzati intrappolando ioni con la luce, qubit realizzati con i materiali di silicio che si trovano nei computer di oggi, qubit catturati in "centri di colore" in diamanti di elevata purezza, e qubit topologicamente protetti rappresentati in particelle subatomiche esotiche. Il documento ha analizzato le principali sfide tecnologiche associate a ciascuno di questi materiali e propone strategie per affrontare questi problemi.

I ricercatori sperano che una o più di queste piattaforme alla fine passi allo stadio in cui il calcolo quantistico può risolvere problemi che le macchine odierne trovano impossibili, come modellare i comportamenti delle molecole e fornire crittografia elettronica sicura.

"Penso che [questo documento] sia la prima volta che questo tipo di quadro completo è stato assemblato. Abbiamo dato la priorità a 'mostrare il nostro lavoro, ' e spiegando il ragionamento alla base della saggezza ricevuta per ogni piattaforma hardware, " ha detto de Leon. "La nostra speranza è che questo approccio permetta ai nuovi entranti del campo di trovare il modo di dare un grande contributo".

I dieci coautori provengono da istituti di ricerca di tutto il mondo e dall'IBM T.J. Watson Research Center, che ha un importante gruppo di ricerca sull'informatica quantistica. Gli scienziati si sono incontrati durante un simposio sui materiali per l'informatica quantistica sponsorizzato da IBM Quantum e dalla Kavli Foundation e tenutosi al Materials Research Society Fall Meeting nel 2019. Hanno quindi trascorso gran parte del loro tempo durante il periodo di permanenza a casa della pandemia lo scorso anno sviluppando questo articolo di revisione.

"È stata una grande esperienza lavorare con un gruppo con competenze così diverse, e gran parte della nostra attività consisteva nel porci domande difficili sul perché credevamo alle cose che facevamo riguardo alle nostre rispettive piattaforme materiali, " disse de Leon, la cui ricerca sfrutta i difetti nei materiali di diamante per consentire la comunicazione tra i nodi in una futura Internet quantistica.