Alla ricerca di segni di queste strane influenze cosmiche, gli scienziati del Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno progettato un dispositivo per misurare i loro presunti effetti sugli elettroni rotanti. Poi, si sono resi conto che l'idea era promettente in un altro ambito:l'informatica quantistica.

I computer quantistici sono la prossima frontiera della tecnologia informatica. Un tempo confinate nella teoria e nella fantascienza, queste macchine sfruttano le stravaganti e meravigliose forze del mondo submicroscopico per risolvere problemi che potrebbero essere troppo difficili per i computer classici (pensa agli 1 e agli 0) e persino ai massicci supercomputer su scala estrema di oggi.

Questa ricerca globale in forte espansione ha fatto passi da gigante negli ultimi anni, con grandi aziende tecnologiche, startup e governi che perseguono un insieme misto di piattaforme, ciascuna con punti di forza e di debolezza. Ma a causa della delicata meccanica su cui operano questi sistemi, la ricerca decennale per renderli utilizzabili in modo affidabile e pratico si è finora rivelata elusiva.

Ora, un team guidato dal Jefferson Lab si sta lanciando sul proverbiale ring con una "CPU" unica nata dalla tecnologia dell'acceleratore di particelle e dallo studio dell'universo visibile. Potrebbe competere o addirittura superare in prestazioni alcuni dei prototipi rumorosi e assetati di energia in fase di studio.

"Stiamo trovando nuove strade per la nostra esperienza esistente nella fisica nucleare", ha affermato Riad Suleiman, il ricercatore principale dello studio. "Il nostro obiettivo è aprire una nuova era nella ricerca sull'informatica quantistica al Jefferson Lab."

Suoneria familiare

Suleiman è specializzato in iniettori, i dispositivi che impregnano i loro raggi negli acceleratori di particelle. Ha iniziato a lavorare al Jefferson Lab come studente della Kent State University nel 1995 ed è entrato a far parte dello staff a tempo pieno nel 2007 dopo aver lavorato come ricercatore post-dottorato presso il MIT e Virginia Tech. Suleiman si è unito a Vasiliy Morozov, un ex fisico degli acceleratori del Jefferson Lab che lavora presso l'Oak Ridge National Laboratory del DOE, e Matt Grau, un esperto di calcolo quantistico di ioni intrappolati della Old Dominion University.

È stato depositato un brevetto completo sul loro “nucleo” di calcolo quantistico, che prevede l’intrappolamento di atomi carichi (ioni) e la loro iniezione in una linea di luce a forma di otto. Questo anello in acciaio inossidabile sigillato sotto vuoto è progettato per mantenere la rotazione degli ioni mentre circolano. Memorizzati in questo modo, gli atomi possono agire come bit quantistici, in breve qubit.

Il progetto è iniziato nel 2022 nell'ambito del programma Laboratory Directed Research and Development (LDRD) di Jefferson Lab, ma la sua storia risale a molto tempo fa.

Morozov ha trascorso più di un decennio al Jefferson Lab prima di unirsi a Oak Ridge nel 2020. È stato coinvolto nei primi concetti di progettazione dell'Electron-Ion Collider (EIC), un acceleratore di particelle di nuova generazione in costruzione presso il Brookhaven National Laboratory del DOE in collaborazione con Jefferson Lab.

Uno dei progetti EIC prevedeva linee di luce a forma di otto, incluso un anello per immagazzinare gli elettroni prima che colpiscano gli ioni accelerati.

"La sfida in alcuni acceleratori è che la rotazione di tutte le particelle punti nella stessa direzione", ha detto Morozov, che è ancora coinvolto nell'EIC. "Devi mantenerli allineati perché, se non stai attento, ti ritroverai con un orientamento completamente caotico. La figura otto è stata proposta come un modo universale per mantenere questo allineamento per esperimenti di precisione."

La scelta definitiva dell'EIC da parte del DOE prevedeva un design prevalentemente circolare, ma il modello a otto non è stato scartato. Suleiman e Morozov hanno formato una squadra per esplorare un altro utilizzo di questi nuovi anelli:la ricerca di indizi sull'origine e la struttura dell'universo.

Il mondo fisico deve la sua esistenza a un eccesso di materia rispetto all’antimateria, e Suleiman sostiene che gli anelli a otto sono il luogo ideale per misurare le proprietà degli elettroni che potrebbero spiegare questo squilibrio. Ruotando all'interno di questi anelli, si prevede che le particelle elementari siano anche ipersensibili alle ipotetiche forze legate alla materia oscura e all'energia oscura.

Durante questa ricerca, la squadra di Suleiman ha evocato un altro utilizzo degli anelli.

"È così che è nata l'idea", ha detto Suleiman.

Regno quantistico

I computer quantistici non sono necessariamente dotati di una CPU più veloce o più piccola, quindi non ne troverai uno sulla tua scrivania, o in grembo, tanto presto. Hanno semplicemente accesso a uno spazio computazionale diverso.

"Alcuni dei problemi più difficili che i supercomputer stanno affrontando oggi, i computer quantistici hanno il potenziale per risolverli in modo estremamente efficiente", ha affermato Grau.

I campi che potrebbero trarne vantaggio includono la crittografia, la scienza dei dati, gli algoritmi di ricerca e l’intelligenza artificiale. Un altro è la modellazione di sistemi quantistici, come i nanomateriali, la chimica quantistica, l'ottica quantistica e le teorie dei campi quantistici.

"Si scopre che questi computer sono molto bravi a risolvere problemi di fisica quantistica", ha detto Grau. "Questo è davvero utile se vuoi simulare i percorsi di determinate reazioni chimiche o come potrebbe funzionare una proteina interessante in un farmaco. Invece di provarlo in un bicchiere, puoi provarlo in un computer che parla naturalmente il linguaggio della meccanica quantistica ."

I qubit possono essere paragonati ai bit binari di un computer classico. Ma invece di rappresentare solo 1 o 0, possono rappresentare simultaneamente molti stati computabili diversi attraverso la strana proprietà quantistica della sovrapposizione. La loro potenza di elaborazione può essere ulteriormente amplificata unendoli insieme tramite un'altra bizzarra funzionalità quantistica chiamata entanglement.

L'entanglement è una stranezza fondamentale dei sistemi quantistici in cui gli stati fisici delle particelle, come lo spin, possono essere direttamente correlati, in linea di principio anche se sono distanti anni luce. Ciò può essere ottenuto all’interno di una trappola che confina gli ioni, in questo caso l’itterbio, utilizzando un campo elettrico oscillante. La trappola è sotto vuoto ultraelevato e raffreddata a temperature più fredde dello spazio profondo.

"Un milionesimo di grado sopra lo zero assoluto è il punto in cui tutto il movimento è stato praticamente congelato e queste particelle sono completamente immobili", ha detto Grau. "A queste temperature molto fredde, puoi ottenere un controllo estremo. Questo è fondamentale per il funzionamento dei computer quantistici."

Da lì, una combinazione di campi elettrici statici e variabili nel tempo inietta gli ioni nell'anello.

Voto otto

Grandi aziende tecnologiche come Amazon, Google, Microsoft e IBM stanno esplorando l’informatica quantistica basata sui superconduttori, e un altro team del Jefferson Lab sta collaborando con il settore privato per esplorare l’elettronica digitale superconduttiva ultra efficiente dal punto di vista energetico. Altre aziende e startup stanno esaminando atomi neutri, ioni intrappolati e fotonica, ma non è chiaro quale tecnologia si separerà dal gruppo.

Probabilmente, il requisito più critico di un computer quantistico è che sia una “scatola chiusa”, il che significa che deve essere isolato dal resto dell’universo. Interferenze esterne o fughe di informazioni dall'interno possono disturbare il mare schiumoso di probabilità su cui opera il computer.

L'isolamento attraverso la prevenzione e la cancellazione delle interazioni esterne consente agli ioni di mantenere i loro stati quantistici. Questa qualità si chiama coerenza e deve durare abbastanza a lungo da consentire al computer di eseguire i suoi complessi algoritmi.

Grazie al vuoto della linea di luce e alla cancellazione naturale degli effetti di rotazione in una disposizione a forma di otto, si prevede che un tale anello offra tempi di coerenza superiori a tre ore. Come nel franchise "Ant-Man" dell'universo cinematografico Marvel, tre ore equivalgono a una vita nel mondo quantistico e questa vita supera di gran lunga l'attuale stato dell'arte.

Per fare un confronto, il computer superconduttore Condor di IBM offre tempi di coerenza di circa 200 microsecondi e il sistema a 216 qubit di Xanadu può durare circa 34 millisecondi senza decoerenza. Il sistema di ioni intrappolati di H2 di Quantinuum funziona leggermente meglio di queste piattaforme con una coerenza superiore a 100 secondi, mentre la piattaforma di atomi neutri di Atom Computing ha un intervallo di 40 secondi.

Si prevede inoltre che l’anello a otto supererà questi sistemi nel numero di qubit che può memorizzare. Con una lunghezza di circa 12 metri e una larghezza di 6 metri, circa l’area di un piccolo appartamento, questi anelli potrebbero accumulare fino a 3.000 qubit. Possono espandersi ulteriormente impilando più anelli, ha detto Suleiman. L'enorme numero di qubit sarebbe molto utile per la tolleranza agli errori e la correzione degli errori.

"Essere in grado di calcolare in modo accurato con la correzione degli errori di solito significa che sono necessari molti più qubit di quanti ne servirebbero per soddisfare le esigenze del proprio algoritmo", ha affermato Grau. "Quindi, la scalabilità è davvero, alla fine, la grande sfida che tutti i computer quantistici devono affrontare."

Nel frattempo, Condor di IBM opera su 1.121 qubit e la macchina ad atomo neutro di Atom Computing ne ha 1.180. H2 di Quantinuum utilizza attualmente 32 qubit, così come il sistema di ioni intrappolati Forte di IonQ.

Brookhaven Lab sta anche esaminando gli anelli di accumulazione per il calcolo quantistico, ma il suo modello brevettato ha un design ellittico e si basa su un raffreddamento estremo del fascio. Nel frattempo, il team di Suleiman è sull'orlo di un brevetto completo per la sua figura a otto che sfrutta effetti di spin quantistico piuttosto robusti che non coinvolgono caratteristiche quantistiche difficili da ottenere del movimento orbitale della particella.

"L'anello di accumulazione a forma di otto è stato sviluppato semplicemente per preservare gli spin delle particelle", ha detto Suleiman. "È un concetto molto semplice ma si è rivelato fruttuoso quando lo si applica a diverse aree. Se riusciamo a iniziare a dimostrare le sue capacità, un giorno potremo lavorare con un'azienda per sviluppare ulteriormente l'idea."