Se hai mai provato a portare avanti una conversazione in una stanza rumorosa, sarai in grado di relazionarti con gli scienziati e gli ingegneri che cercano di "sentire" i segnali dei dispositivi sperimentali di calcolo quantistico chiamati qubit. Queste unità di base dei computer quantistici sono all'inizio del loro sviluppo e rimangono capricciose, soggette a ogni tipo di interferenza. Il "rumore" randagio può mascherarsi da qubit funzionante o addirittura renderlo inutilizzabile.

Ecco perché il fisico Christian Boutan e i suoi colleghi del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) sono stati recentemente in modalità celebrazione mentre hanno mostrato il primo qubit superconduttore funzionale del PNNL. Non è molto da guardare. La sua custodia, delle dimensioni di un pacchetto di gomme da masticare, è collegata a cavi che trasmettono segnali a un pannello vicino di ricevitori a radiofrequenza personalizzati. Ma soprattutto, è racchiuso in un bozzolo d'oro lucido chiamato frigorifero di diluizione e protetto dai segnali elettrici vaganti. Quando il frigorifero è in funzione, è tra i luoghi più freddi della Terra, quindi molto vicino allo zero assoluto, a meno di 6 millikelvin (circa -460 gradi F).

Il freddo estremo e l'isolamento trasformano il sensibile dispositivo superconduttore in un qubit funzionale e rallentano il movimento degli atomi che distruggerebbero lo stato del qubit. Quindi, i ricercatori ascoltano un segnale caratteristico, un segnale acustico sui loro ricevitori a radiofrequenza. Il segnale è simile ai segnali radar che i militari utilizzano per rilevare la presenza di aerei. Proprio come i sistemi radar tradizionali trasmettono le onde radio e quindi ascoltano le onde di ritorno, i fisici del PNNL hanno utilizzato una tecnica di rilevamento a bassa temperatura per "sentire" la presenza di un qubit trasmettendo segnali accuratamente elaborati e decodificando il messaggio di ritorno.

"Stai sussurrando al qubit e ascoltando il risonatore", ha detto Boutan, che ha assemblato il primo banco di prova qubit di PNNL. "Se raggiungi la giusta frequenza con un segnale inviato al qubit, vedrai il picco dello spostamento del risonatore. Lo stato del qubit cambia la frequenza del risonatore. Questo è lo spostamento del segnale che stiamo ascoltando."

Non si tratta di misurare direttamente il segnale quantistico, ma piuttosto di cercare la scia che si lascia alle spalle. Una delle tante stranezze dell'informatica quantistica è che gli scienziati non possono misurare direttamente lo stato quantistico. Piuttosto, ne sondano l'impatto sull'ambiente strategicamente preparato che lo circonda. Questo è il motivo per cui l'esperienza di PNNL nella trasmissione di radiofrequenze e nel rilevamento del segnale è stata essenziale, ha affermato Boutan. Qualsiasi rumore di fondo incontrollato può distruggere la coerenza del qubit.

Tutta questa cura speciale è necessaria perché i segnali quantistici che il team di ricerca sta cercando di rilevare e registrare possono essere facilmente spazzati via dal "rumore" in competizione da una varietà di fonti, compresi i materiali nel qubit stesso.

Concentrazione quantistica

Siamo agli albori dell'informatica quantistica. I prototipi esistenti come quello operante nel laboratorio di fisica del PNNL potrebbero essere paragonati al personal computer Macintosh quando il fondatore di Apple Steve Jobs ei suoi amici emersero dal loro garage. Tranne che l'investimento e la posta in gioco sono molto più alti in questa fase dell'era del calcolo quantistico.

Gli scienziati sono particolarmente concentrati sul potenziale dei computer quantistici di risolvere problemi urgenti di produzione, utilizzo e sostenibilità dell'energia. Ecco perché l'investimento del governo degli Stati Uniti da solo ammonta a più di 1 miliardo di dollari attraverso la National Quantum Initiative e i centri di ricerca QIS (National Quantum Information Science) del Dipartimento dell'Energia, che si concentrano sulla promozione della scienza dell'informatica quantistica.

Il PNNL, che sta contribuendo a tre dei cinque centri QIS, sta lavorando su diversi aspetti delle scienze dell'informazione quantistica, inclusa la rivelazione e l'eliminazione delle fonti di interferenza e rumore che fanno uscire i qubit dallo stato utile chiamato "coerenza", scrivendo codici di computer che sfruttare questi computer quantistici e migliorare la progettazione dei materiali e la costruzione dei qubit stessi. La ricerca di Boutan sul rilevamento quantistico a microonde è supportata dal programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio del PNNL.

La cura e l'alimentazione dei qubit

I qubit superconduttori sono fatti di metalli esotici che reagiscono con l'ossigeno nell'atmosfera, creando ossidi di metallo. L'hai visto succedere quando il ferro si arrugginisce.

"È un problema di materiali", ha affermato Brent VanDevender, un fisico PNNL che lavora sulle fonti di interferenza nei qubit. "Li chiamiamo sistemi a due livelli. Il termine si riferisce a tutti i difetti del tuo materiale, come gli ossidi, che possono imitare il comportamento dei qubit e rubare energia."

Lo scienziato dei materiali PNNL Peter Sushko e i suoi colleghi stanno lavorando alla sfida di fermare la "ruggine" dei qubit con i collaboratori dell'Università di Princeton attraverso la loro affiliazione con il C2QA QIS Center. Lì, un team di ricercatori ha sviluppato uno dei qubit più durevoli mai segnalati. Eppure, gli ossidi di metallo si formano rapidamente sulla superficie esposta di questi dispositivi qubit superconduttori.

Lavorando con i loro collaboratori di Princeton, Sushko e il suo team hanno proposto un rivestimento protettivo che può interferire con l'ossigeno nell'aria interagendo con la superficie dei qubit e provocandone l'ossidazione.

"Il nostro obiettivo è rimuovere il disordine ed essere compatibili con la struttura sottostante", ha affermato Sushko. "Stiamo esaminando uno strato protettivo che si posizionerà sopra in modo ordinato e preverrà l'ossidazione, riducendo al minimo gli effetti del disordine."

Questa ricerca si basa sulla ricerca fondamentale dello scienziato dei materiali PNNL Marvin Warner e colleghi. Hanno sviluppato un corpus di conoscenze su come schermare i dispositivi superconduttori a base di metalli sensibili applicando un microrivestimento che protegge efficacemente la superficie dai danni che possono influire sulle prestazioni.

"Il controllo della chimica di superficie per proteggere le proprietà quantistiche emergenti di un materiale è un approccio importante per lo sviluppo di dispositivi più stabili e robusti", ha affermato Warner. "Gioca perfettamente con i punti di forza di PNNL come laboratorio di chimica."

Presto il team costruirà la soluzione proposta nel laboratorio di nanofabbricazione di dispositivi quantici dell'Università di Princeton. Una volta costruito, sarà sottoposto a una serie di test. In caso di successo, il qubit potrebbe essere pronto per test rigorosi della sua longevità di fronte al bombardamento che distrugge la coerenza del qubit da parte delle radiazioni atmosferiche, noto anche come raggi cosmici.

Andare sottoterra

Puoi contare su una mano il numero di posti negli Stati Uniti allestiti per studiare la fedeltà dei qubit in un ambiente sotterraneo ben schermato. Presto PNNL sarà tra questi. I preparativi sono a buon punto per allestire una struttura di test qubit sotterranea all'interno dello Shallow Underground Laboratory del PNNL. Decenni di ricerca sugli effetti delle radiazioni ionizzanti hanno preparato gli scienziati del PNNL a stabilire quanto bene i dispositivi quantistici possano tollerare l'interferenza del bombardamento da parte di sorgenti di radiazioni naturali. Qui ricercatori e tecnici sono impegnati ad allestire un frigorifero di diluizione simile a quello del laboratorio di fisica del PNNL.

All'interno di una stanza ultra-pulita con sintesi di materiale ultrapuro leader mondiale e rilevamento di radiazioni di fondo ultra-basse, i qubit sperimentali verranno messi alla prova in un ambiente personalizzato schermato al piombo che riduce i raggi gamma esterni di oltre il 99%.

Entro l'anno, PNNL sarà pronto a completare l'intero ciclo di test qubit, dalla progettazione e teoria, alla microfabbricazione, ai test ambientali, alla distribuzione con i partner di ricerca.

"I computer quantistici completamente funzionali saranno utili solo quando diventeranno affidabili", ha affermato Warner. "Con i nostri partner di ricerca, ci stiamo preparando oggi per aiutare a inaugurare quell'era oggi". + Esplora ulteriormente

Sviluppo della prossima generazione di algoritmi e materiali quantistici