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Architetture quantistiche (lezione 6)

Autore: Roberto Campagnola
Data Pubblicazione: 06/03/2022

Le architetture al momento più promettenti per i computer quantistici sono le trappole ioniche, circuiti a superconduttore, e i sistemi a più fotoni, ma altre opzioni includono quantum dot a semiconduttori, atomi neutri in reticoli e l’approccio “esotico” basato su qubit topologici, un approccio che fa uso di “quasiparticelle” che esistono in uno spazio bidimensionale chiamate anyons in inglese (o qualunquoni in italiano).

Nonostante un computer quantistico che si basa su “entità” matematiche bidimensionali possa sembrare assurdo, alcuni studi ne descrivono la plausibilità anche in un universo reale a tre dimensioni.

Trappole Ioniche

La tecnologia delle Ion trap fa uso di campi elettrici a radiofrequenza per tenere intrappolati gli ioni, cioè atomi con carica elettrica in eccesso. La trappola ionica più utilizzata nella computazione quantistica è la trappola di Paul, in onore del premio nobel per la fisica Wolfgang Paul che inventò il primo dispositivo nel 1955 e usa la combinazione di campi elettrici statici e oscillanti per il confinamento degli ioni.

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Gli ioni, non essendo elettricamente neutri, si respingono, e se sono raffreddati a sufficienza, possono formare un cristallo che corrisponde ad un reticolo atomico dotato di un moto comune.

I livelli di energia di ogni ione sono quantizzati e anche il moto collettivo è quantizzato. Il cristallo presenta uno stato di moto oscillatorio armonico: una oscillazione armonica significa avere un periodo di oscillazione indipendente dall’ampiezza.

In regime quantistico l’oscillatore armonico presenta livelli energetici discreti e equispaziati, e nei computer a trappole ioniche il qubit corrisponde ai due livelli energetici più bassi dello ione impiegato. In aggiunta ai campi elettrici, per operazioni che richiedono l’impiego di uno o più qubits si usano anche laser sia per “raffreddare” gli ioni cioè per limitarne l’agitazione termica e la relativa dissipazione, sia per modificarne le proprietà (per esempio indurre l’accoppiamento tra i loro stati quantistici e le relative modifiche) sia tra stati interni di uno stesso qubit sia tra più qubits. 

Processore a trappola ionica (al centro) usato per bloccare due ioni di calcio e stronzio e rendere entagled i qubits. Nell’ingrandimento, immagine in falsi colori della luce emessa dagli ioni mentre sono raffreddati da laser

I qubit a ioni intrappolati inoltre presentano la caratteristica di poter funzionare da “bus” per trasferimento di dati, portando due qubit lontani a poter collaborare attraverso l’oscillazione meccanica e lo scambio di fononi, il quanto di energia associato al moto vibrazionale nel cristallo ionico.

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La lettura dei qubit e quindi il processo di misura è effettuato mediante imaging a fluorescenza: colpire gli ioni di stato |0> con un opportuno impulso ottico che ne provoca la transizione in uno stato non eccitato che quindi non riemette la radiazione incidente, mentre lo stato |1>  transisce in uno stato eccitato ed emette radiazione elettromagnetica. 

Circuiti a superconduttori

Attualmente gran parte  della ricerca industriale per computer quantistici si concentra sui circuiti a superconduttori (ne sono coinvolte aziende quali IBM, Google D-Wave, Rigetti, per citare le più importanti).

I computer quantistici a superconduttore hanno buoni tempi di coerenza e non soffrono molto per la perdita di qubit: sono infatti sistemi a stato solido e la perdita di qubit non li influenza come i QC a ioni intrappolati, ma devono operare a temperature bassissime, il che li rende costosi e complessi da gestire.

Nei materiali superconduttori la resistenza elettrica cala bruscamente a zero quando si raggiungono temperature inferiori ad una temperature critica, in genere dell’ordine delle decine di Kelvin.

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Attualmente il regime di temperature raggiunte è di millesimi di gradi sopra 0 K, lo zero assoluto. Nella foto del quantum computer IBM a YorkTown, New York, le complicate strutture non sono altro che il sistema criogenico per raffreddare i processori a temperature bassissime. 

Foto dell’apparato criogenico che ospita e raffredda i processori quantistici a superconduttore. A sinistra visuale esterna, a destra vista interna con 4 stage di raffreddamento (4K, 1K, 0.1 K, 0.02 K), e il processore alla base

Il regime di temperature prossime a 0 K è necessario non solo per poter raggiungere il regime di superconduttività, ma per impedire la dissipazione di energia dovuta alla resistenza elettrica nei circuiti, per favorire l’eliminazione del rumore termico e quindi la perdita del regime quantistico e dell’informazione. 

Nei computer a superconduttori, i qubit possono avere varie forme o geometrie, a seconda di quale sia la proprietà quantizzata su cui si basa il trasferimento di informazione; esistono le coppie di cooper (stato legato di due elettroni o due lacune nel materiale superconduttore), i qubit di flusso, e i qubit di carica

Facendo scorrere in un superconduttore la corrente senza resistenza in senso orario e antiorario, si generano campi magnetici rispettivamente verso il basso e verso l’alto (se convenzionalmente orientati parallelamente ad un piano orizzontale) e “sovrapponendo” le correnti si creano sovrapposizioni di campi magnetici; per circuiti sufficientemente piccoli il flusso del campo magnetico è quantizzato, ed equamente distanziato, caratteristica non adatta alla formazione di un qubit a due livelli. 

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Per rendere la spaziatura del campo non uniforme si ricorre alla giunzione Josephson (due strisce di materiale superconduttore separate da un isolante),  in modo che sia introdotta una “anarmonicità”  nel moto per le correnti che attraversano la barriera Josephson .

Tale anarmonicità porta alla formazione di due livelli di flusso del campo magnetico non uniformemente separati. Il flusso verso il basso è codificato come stato |0>, quello verso l’alto come stato |1> .

Nel quibt a carica invece lo stato dei qubit è determinato dal numero di coppie di Cooper che attraversano la giunzione. I transmon qubit  sono un particolare tipo di qubit a carica costituiti da un modello di giunzione Josephson in cui gli effetti di “rumore” e quindi di instabilità sono notevolmente ridotti . Attualmente i qubit di flusso e transmon sono tra le architetture più utilizzate.

A sinistra, diagramma della giunzione Josephson: A e B rappresentano i materiali superconduttori, C l’isolante. A destra un array di processori a giunzione Josephson.

Qubit a più fotoni

Il quantum computing è  possibile non solo attraverso circuiti fisici o atomo “materiali”, ma anche attraverso la “manipolazione” di fotoni. I qubit possono essere costruiti utilizzando numerose tecniche: rilevando la presenza o assenza di fotoni in un opportuno sistema, oppure mediante cammini alternativi percorsi, o le differenti polarizzazioni, o sul ritardo di arrivo su un bersaglio. Questi qubit sono importanti per la comunicazione quantistica in particolare per il protocollo di Quantum Key Distribution. 

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La computazione quantistica con fotoni è comprensibilmente difficile, essendo questi privi di massa, e porta ad una quantità di errori maggiore rispetto ad altre tecniche, dovuta alla indeterminazione intrinseca che caratterizza un ensemble a più fotoni. I sistemi studiati per il photonic quantum computing prevedono l’impiego di un alto numero di “quanti di luce”; alcuni, costruiti un maniera opportuna, costituiscono i qubit veri e propri, altri a loro legati dalle leggi della meccanica quantistica costituiscono il “setup” per  rilevarli. 

Abbiamo ripetuto più volte che il mondo della computazione quantistica porta con se innumerevoli sfide, sul piano della ricerca fondamentale, sul piano tecnologico ed industriale, ma un punto è chiaro: la computazione quantistica sta avanzando molto rapidamente e continuerà a farlo per i prossimi anni. 

Photo credit:

  • 1: Lincoln Laboratory
  • 2: IBM
  • 3: Wikipedia

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