Il calcolo quantistico, sebbene sia ancora agli albori, ha il potenziale per aumentare notevolmente la potenza di elaborazione sfruttando lo strano comportamento delle particelle alle scale più piccole. Alcuni gruppi di ricerca hanno già riferito di eseguire calcoli che richiederebbero migliaia di anni su un supercomputer tradizionale. A lungo termine, i computer quantistici potrebbero fornire una crittografia infrangibile e simulazioni della natura oltre le capacità odierne.

Un team di ricerca interdisciplinare guidato dall'UCLA, che include collaboratori dell'Università di Harvard, ha ora sviluppato una strategia fondamentalmente nuova per la costruzione di questi computer. Mentre l'attuale stato dell'arte impiega circuiti, semiconduttori e altri strumenti di ingegneria elettrica, il team ha prodotto un piano di gioco basato sulla capacità dei chimici di progettare blocchi atomici personalizzati che controllano le proprietà di strutture molecolari più grandi quando vengono messi insieme.

I risultati, pubblicati la scorsa settimana su Nature Chemistry , potrebbe in definitiva portare a un balzo nella potenza di elaborazione quantistica.

"L'idea è, invece di costruire un computer quantistico, lasciare che la chimica lo costruisca per noi", ha affermato Eric Hudson, David S. Saxon Presidential Professor of Physics dell'UCLA e corrispondente autore dello studio. "Tutti noi stiamo ancora imparando le regole per questo tipo di tecnologia quantistica, quindi questo lavoro è molto fantascientifico in questo momento."

Le unità di base dell'informazione nell'informatica tradizionale sono i bit, ciascuno limitato a uno solo di due valori. Al contrario, un gruppo di bit quantistici, o qubit, può avere una gamma di valori molto più ampia, aumentando esponenzialmente la potenza di elaborazione di un computer. Sono necessari più di 1.000 bit normali per rappresentare solo 10 qubit, mentre 20 qubit richiedono più di 1 milione di bit.

Quella caratteristica, al centro del potenziale di trasformazione dell'informatica quantistica, dipende dalle regole controintuitive che si applicano quando gli atomi interagiscono. Ad esempio, quando due particelle interagiscono, possono legarsi o aggrovigliarsi, in modo che la misurazione delle proprietà di una determini le proprietà dell'altra. L'entangling dei qubit è un requisito dell'informatica quantistica.

Tuttavia, questo intreccio è fragile. Quando i qubit incontrano sottili variazioni nei loro ambienti, perdono la loro "quantità", necessaria per implementare algoritmi quantistici. Ciò limita i computer quantistici più potenti a meno di 100 qubit e mantenere questi qubit in uno stato quantistico richiede grandi macchinari.

Per applicare praticamente il calcolo quantistico, gli ingegneri devono aumentare la potenza di elaborazione. Hudson e i suoi colleghi ritengono di aver fatto un primo passo con lo studio, in cui la teoria ha guidato il team a creare molecole su misura che proteggano il comportamento quantistico.

Gli scienziati hanno sviluppato piccole molecole che includono atomi di calcio e ossigeno e agiscono come qubit. Queste strutture calcio-ossigeno formano ciò che i chimici chiamano un gruppo funzionale, il che significa che può essere inserito in quasi tutte le altre molecole conferendo anche le proprie proprietà a quella molecola.

Il team ha mostrato che i loro gruppi funzionali mantenevano la struttura desiderata anche quando attaccati a molecole molto più grandi. I loro qubit possono anche resistere al raffreddamento laser, un requisito fondamentale per l'informatica quantistica.

"Se riusciamo a legare un gruppo funzionale quantistico a una superficie oa una molecola lunga, potremmo essere in grado di controllare più qubit", ha detto Hudson. "Dovrebbe anche essere più economico aumentare, perché un atomo è una delle cose più economiche dell'universo. Puoi crearne quante ne vuoi."

In addition to its potential for next-generation computing, the quantum functional group could be a boon for basic discovery in chemistry and the life sciences, for instance by helping scientists uncover more about the structure and function of various molecules and chemicals in the human body.

"Qubits can also be exquisitely sensitive tools for measurement," said study co-author Justin Caram, a UCLA assistant professor of chemistry and biochemistry. "If we could protect them so they can survive in complex environments such as biological systems, we would be armed with so much new information about our world."

Hudson said that the development of a chemically based quantum computer could realistically take decades and is not certain to succeed. Future steps include anchoring qubits to larger molecules, coaxing tethered qubits to interact as processors without unwanted signaling, and entangling them so that they work as a system.

The project was seeded by a Department of Energy grant that gave the physicists and chemists the chance to cut through discipline-specific jargon and speak in a common scientific language. Caram also credits UCLA's atmosphere of easy collaboration.

"This is one of the most intellectually fulfilling projects I've ever worked on," he said. "Eric and I first met having lunch at the Faculty Center. This was born out of fun conversations and being open to talking to new people." + Esplora ulteriormente

Quantum computer works with more than zero and one