Per decenni, la ricerca dell’informatica quantistica ha lottato con la necessità di temperature estremamente basse, semplici frazioni di grado sopra lo zero assoluto (0 Kelvin o –273,15°C). Questo perché i fenomeni quantistici che conferiscono ai computer quantistici le loro capacità computazionali uniche possono essere sfruttati solo isolandoli dal calore del mondo classico e familiare in cui viviamo.
Un singolo bit quantistico o “qubit”, l’equivalente del bit binario “zero o uno” al centro dell’informatica classica, richiede un grande apparato di refrigerazione per funzionare. Tuttavia, in molti settori in cui ci aspettiamo che i computer quantistici portino progressi, come nella progettazione di nuovi materiali o medicinali, avremo bisogno di un gran numero di qubit o addirittura di interi computer quantistici che lavorino in parallelo.
Si prevede che i computer quantistici in grado di gestire gli errori e di autocorreggersi, essenziali per calcoli affidabili, saranno di dimensioni gigantesche. Aziende come Google, IBM e PsiQuantum si stanno preparando per un futuro in cui interi magazzini saranno pieni di sistemi di raffreddamento e consumeranno enormi quantità di energia per far funzionare un singolo computer quantistico.
Ma se i computer quantistici potessero funzionare anche a temperature leggermente più elevate, potrebbero essere molto più facili da utilizzare e molto più ampiamente disponibili. Nella nuova ricerca pubblicata su Nature , il nostro team ha dimostrato che un certo tipo di qubit, gli spin dei singoli elettroni, possono funzionare a temperature intorno a 1K, molto più calde rispetto agli esempi precedenti.
I sistemi di raffreddamento diventano meno efficienti a temperature più basse. A peggiorare le cose, i sistemi che usiamo oggi per controllare i qubit stanno intrecciando un groviglio di cavi che ricordano l’ENIAC e altri enormi computer degli anni ’40. Questi sistemi aumentano il riscaldamento e creano colli di bottiglia fisici per far funzionare insieme i qubit.
Più qubit cerchiamo di inserire, più difficile diventa il problema. Ad un certo punto il problema del cablaggio diventa insormontabile.
Successivamente, i sistemi di controllo devono essere integrati negli stessi chip dei qubit. Tuttavia, questi componenti elettronici integrati consumano ancora più energia e dissipano più calore rispetto al gran caos di cavi.
La nostra nuova ricerca potrebbe offrire una via da seguire. Abbiamo dimostrato che un particolare tipo di qubit, realizzato con un punto quantico stampato con elettrodi metallici su silicio, utilizzando una tecnologia molto simile a quella utilizzata nella produzione di microchip esistente, può funzionare a temperature intorno a 1K.
Questo è solo un grado sopra lo zero assoluto, quindi fa ancora estremamente freddo. Tuttavia, è significativamente più caldo di quanto si pensasse possibile. Questa svolta potrebbe condensare la vasta infrastruttura di refrigerazione in un unico sistema più gestibile. Ridurrebbe drasticamente i costi operativi e il consumo energetico.
La necessità di tali progressi tecnologici non è solo accademica. La posta in gioco è alta in campi come la progettazione farmaceutica, dove l'informatica quantistica promette di rivoluzionare il modo in cui comprendiamo e interagiamo con le strutture molecolari.
Le spese di ricerca e sviluppo in questi settori, che ammontano a miliardi di dollari, sottolineano i potenziali risparmi sui costi e i guadagni di efficienza derivanti da tecnologie di calcolo quantistico più accessibili.
I qubit "più caldi" offrono nuove possibilità, ma introdurranno anche nuove sfide nella correzione e nel controllo degli errori. Temperature più elevate potrebbero significare un aumento del tasso di errori di misurazione, il che creerà ulteriori difficoltà nel mantenere funzionale il computer.
Siamo ancora agli inizi nello sviluppo dei computer quantistici. Un giorno i computer quantistici potrebbero essere onnipresenti quanto i chip di silicio di oggi, ma il percorso verso quel futuro sarà pieno di ostacoli tecnici.
I nostri recenti progressi nel funzionamento dei qubit a temperature più elevate rappresentano un passo fondamentale verso la semplificazione dei requisiti del sistema.
Offre la speranza che l'informatica quantistica possa liberarsi dai confini dei laboratori specializzati per entrare nella più ampia comunità scientifica, nell'industria e nei data center commerciali.
Ulteriori informazioni: Jonathan Y. Huang et al, Operazione di spin qubit ad alta fedeltà e inizializzazione algoritmica superiore a 1 K, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07160-2
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito da The Conversation
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