Progressi sulla via della costruzione di computer quantistici

 Ingegneri dell'UNSW hanno creato un nuovo bit quantico che rimane in una sovrapposizione stabile per 10 volte di più di quanto avveniva prima. Con la sua realizzazione, viene ampliato il numero di calcoli che possono essere eseguiti in un futuro computer quantistico al silicio.

E’ successo il tutto presso l'Università del New South Wales (UNSW) con la creazione di un nuovo bit quantistico capace di rimanere in sovrapposizione stabile 10 volte di più rispetto a prima, ampliando il tempo, per eseguire calcoli in un futuro computer quantistico di silicio.

Il nuovo bit quantico,

Chip di uncomputer a qubit

costituito dalla rotazione di un singolo atomo di silicio, si fonde con un campo elettromagnetico - noto come 'qubit vestito' - conserva l'informazione quantistica per molto più che un atomo 'spogliato', aprendo nuove strade per la costruzione e gestione dei computer quantistici superpotenti del futuro.

"Abbiamo creato un nuovo bit quantistico in cui lo spin di un singolo elettrone è fuso insieme con un forte campo elettromagnetico,- ha detto Arne Laucht, ricercatore alla facoltà di Ingegneria Elettrica e telecomunicazioni (UNSW)-  e questo bit quantistico è più versatile e più longevo rispetto al solo elettrone. Ci permetterà di costruire computer quantistici più affidabili."

Costruire un computer quantistico è la 'corsa allo spazio del 21 ^° secolo' - sfida difficile e ambiziosa con la possibilità di fornire strumenti rivoluzionari per affrontare calcoli altrimenti impossibili, come ad esempio la progettazione di farmaci complessi e materiali avanzati, o la rapida di massa, cioè basi di dati non ordinati.

La sua velocità e potenza risiede nel fatto che i sistemi quantistici possono ospitare più "sovrapposizioni" di diversi stati iniziali, considerati input in un computer che, a loro volta, otterranno tutti,dati elaborati allo stesso tempo.

"Il più grande ostacolo nell'uso di oggetti quantistici per il calcolo , -ha detto Andrea Morello, leader del team di ricerca, program manager al Centro ARC per Quantum Computation & Communication Technology (CQC2T) - è di preservare le loro delicate sovrapposizioni, abbastanza a lungo, da permettere l’esecuzione di calcoli utili. "                                                                                    Il programma di ricerca decennale, aveva già stabilito il più longevo bit quantistico allo stato solido, che da informazioni di codifica quantistica, nel giro di un singolo atomo di fosforo in un chip di silicio, collocato in un campo magnetico statico.

 Laucht e colleghi

Ingegneri al lavoro per costruire qantum devices

hanno spinto, ulteriormente  su quest’ipotesi. "Abbiamo implementato un nuovo modo per codificare le informazioni, sottoponendo l'atomo a un forte campo elettromagnetico, continuamente oscillante a frequenze delle microonde, e quindi abbiamo 'ridefinito' il quantum bit orientamento della rotazione rispetto al campo di microonde ".

I risultati sono sorprendenti:  il campo elettromagnetico oscilla costantemente a una frequenza molto elevata, alcuni rumori o disturbi in un diverso risultato di frequenza producono un effetto netto, praticamente nullo. I ricercatori hanno ottenuto un miglioramento di un fattore 10 nel periodo durante il quale può essere conservata una sovrapposizione quantistica.

In particolare, hanno misurato un tempo di sfasamento di T ₂ ^* = 2,4 millisecondi -risultato che è 10 volte migliore del qubit di serie, in quanto consente molte più operazioni da eseguire entro il periodo durante il quale, la delicata informazione quantistica è conservata ed è sicura.

"Questo nuovo 'qubit vestito' , -ha aggiunto Morello- può essere controllato in una varietà di modi che sarebbero impraticabili con un 'qubit spogliato’. Per esempio, può essere controllato semplicemente modulando la frequenza del campo di microonde, come in una radio FM. Il 'qubit tronchi' invece richiede ruotando l'ampiezza dei campi di controllo on e off, come se fosse una radio AM.

"In un certo senso, questo è il motivo per cui il qubit vestito è più immune al rumore: l'informazione quantistica è controllata dalla frequenza, solida come una roccia, mentre l'ampiezza può essere, più facilmente influenzata, dal rumore esterno."

Poiché il dispositivo è costruito sulla tecnologia silicio standard, questo risultato apre la strada alla costruzione di potenti e affidabili processori quantici, basati sullo stesso processo di fabbricazione già utilizzato per i computer di oggi.

Il team UNSW ha fatto il primo passo nella costruzione di primo computer quantistico al mondo in silicio.

"Costruire computer a quantum è una delle grandi sfide del 21 ° secolo, - ha dichiarato Mark Hoffman, preside di Ingegneria di UNSW-  cioè si punta alla manipolazione della natura a livello subatomico, spingendosi al limite estremo di ciò che è possibile. Per avere una squadra che porta risultati in questo campo, e coerentemente fornisce primati, diventando un testamento al talento straordinario abbiamo riunito in Australia, l’UNSW."

Un computer quantistico funzionale permetterebbe massicci aumenti di velocità e l'efficienza di alcune attività di elaborazione - confrontati con i computer a base di silicio, cioè col metodo più facile, i cosiddetti  "classici". In un certo numero di settori chiave - come la ricerca database di grandi dimensioni, per  risolvere complicati insiemi di equazioni, per modellare sistemi atomici, come molecole biologiche e farmaci - avrebbe superato di gran lunga i computer di oggi. Sarebbero anche enormemente utili nelle industrie della finanza e della sanità, e per le organizzazioni governative, di sicurezza e difesa.

I computer quantistici potrebbero identificare e sviluppare nuovi farmaci, accelerando notevolmente il design di composti farmaceutici  coi computer (e riducendo al minimo tentativi ed errori di test), e lo sviluppo di nuovi materiali, più leggeri, più forti che vanno dall’elettronica di consumo agli aeromobili. Renderebbero possibili nuovi tipi di applicazioni computazionali e soluzioni che vanno oltre la nostra capacità di prevedere.

Altri ricercatori hanno contribuito a questi progressi sono membri del team di CQC2T di Morello a UNSW - Rachpon Kalra, Stephanie Simmons, Juan Dehollain, Juha Muhonen, Fahd Mohiyaddin e Solomon Freer; Andrew Durai e Fa Hudson presso l'Australian National Facility Fabrication; David Jamieson e Jeffrey McCallum presso l'Università CQC2T della squadra di Melbourne; e Kohei Itoh di Keio University in Giappone.

Video: https://www.youtube.com/watch?v=YftwdSss9b8

Con bit quantistici, si può usare un 'linguaggio calcolo quantistico' di gran lunga più ricco di codici digitali standard, perché contiene parole in codice speciale che non esistono nei computer normali. L'accesso e l'elaborazione di questi codici speciali dà ai computer quantistici un potere superiore. Questo codice viene all'esistenza attraverso la creazione di entanglement quantistico tra più qubit.

Mentre vi è stato un notevole progresso nella costruzione e gestione di qubit singoli e multipli in vari tipi di hardware, creare un intreccio tra qubit rimane un compito estremamente impegnativo, a causa della fragilità intrinseca di questo effetto quantistico.

La squadra UNSW ha , per la prima volta, dimostrato la capacità di intrappolare due bit quantistici in silicio. Il silicio è il materiale normalmente usato in tutti i dispositivi elettronici moderni per cui si è sfruttato questo effetto quantico in una piattaforma tecnologicamente importante,ampiamente utilizzata dal settore informatico Settore in cui miliardi di dollari sono stati investiti in ricerca e sviluppo, quindi questo progresso faciliterà notevolmente la costruzione di computer quantistici pratici.