Il processore del computer quantistico.

Autore: Roberto Campagnola

Data Pubblicazione: 30/05/2021


In questo articolo illustreremo le due principali piattaforme hardware per la costruzione di un computer quantistico, le limitazioni pratiche che si devono affrontare nella progettazione e cercheremo di rispondere alla domanda perché questo tipo di computer non sono ancora una realtà su larga scala.


Criteri di DiVincenzo

Nel 1996, durante la sua attività di ricerca presso la IBM, il fisico David DiVincenzo pubblicò un articolo intitolato “Topics in Quantum Computing” in cui delineò 5 requisiti minimi necessari per la realizzazione di una macchina a computazione quantistica.

  • Un sistema scalabile con qubit ben definiti: criterio richiesto per avere una salda rappresentazione dell'informazione;

  • La possibilità di inizializzare lo stato dei qubit: prima di poter compiere ogni operazione è necessario che i qubit siano posto in uno stato iniziale (uno stato fondamentale o ground state);

  • Capacità di misura specifica per i qubit: devo poter essere in grado di effettuare una misura per poter ottenere il risultato del calcolo eseguito e trasmettere l'informazione;

  • Un set “universale” di stati quantistici: un set di gate logici a cui poter ricondurre ogni operazione quantistica; ogni operazione unitaria può essere espressa da una sequenza finita di operazioni su queste porte logiche;

  • Un lungo tempo di decoerenza: la decoerenza distrugge le caratteristiche che permettono il calcolo quantistico, in particolare la sovrapposizione o entanglement. Deve quindi essere mantenuta il più a lungo possibile.

I primi quattro criteri valgono anche per i computer classici perché non vogliamo esser limitati in termini di architetture o possibili operazioni da svolgere, mentre l'ultimo criterio è specifico per i computer quantistici.


Effetti di decoerenza

L'unica interazione a cui devono essere sottoposti i qubit deve essere quella con “l'apparato di misura” per eseguire una operazione logica. Nel mondo reale, a livello fondamentale sistemi fisici quali atomi, ioni, fotoni etc. sono in costante interazione tra loro e con l'ambiente esterno: per esempio la presenza di un campo magnetico può influenzare la dinamica di un sistema, l'interazione radiazione-materia porta al cambiamento delle proprietà di un sistema fisico o alla produzione di nuove particelle.


Queste interazioni, se in presenza di un sistema quantistico, possono portare a drammatici effetti chiamati effetti di decoerenza. Per esempio un sistema quantistico può passare da una condizioni di sovrapposizione ad uno stato ben definito di 0 o 1, perdendo il vantaggio quantistico nella computazione. Altri effetti indesiderati nello stato di sovrapposizione possono essere il bit-flip o il sign-flip, o anche una loro combinazione. Contrastare il “rumore” e la minima sorgente di errori è quindi una grande preoccupazione se non la più grande nel costruire computer quantistici di larga scala.


Principali piattaforme per qubits

Tra le tecnologia disponibili, le architetture principale sono i processori costruiti con circuiti superconduttori o con trappole di ioni.


Circuiti superconduttori

Attualmente grandi compagnie o startup (IBM, INTEL, Google, Rigetti) puntano sui superconduttori per la loro costruzione dei computer quantistici. 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 K. Attualmente il regime di temperature raggiunte è di millesimi di K 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 per poter raggiungere il regime di superconduttività, per impedire la dissipazione di energia dovuta alla resistenza elettrica nei circuiti, e per favorire l'eliminazione del rumore termico e quindi la perdita del regime quantistico e dell'informazione. Nei superconduttori, i portatori di carica e dell'informazione sono coppie di elettroni (chiamate coppie di Cooper) e non i singoli elettroni come in un conduttore normale; tale coppia non incontra resistenza quando passa nei metalli del circuito. Per codificare gli stati 0 e 1 in due diversi stati energetici del sistema fisico, si usano due differenti strategie:

  • La prima strategia è chiamata qubit di carica e si basa sul funzionamento delle giunzioni Josephson, due strisce di materiale superconduttore separate da un isolante . Lo stato dei qubit è determinato dal numero di coppie di Cooper che attraversano la giunzione

  • La seconda strategia, chiamata qubit di flusso, prevede di mettere in sovrapposizione correnti che si propagano in senso orario o antiorario all'interno all'interno del circuito.