Un enorme passo avanti nel Quantum Computing: creato il primo circuito quantistico

Roberto Campagnola : 25 Giugno 2022 23:05

Degli scienziati australiani hanno creato il primo circuito per computer quantistico al mondo, che contiene tutti i componenti essenziali che si trovano su un chip per computer classico ma su scala quantistica. Questa ricerca, pubblicata su Nature, ha richiesto ben nove anni di lavoro.

“Questa è la scoperta più emozionante della mia carriera”

ha detto a ScienceAlert l’autrice senior e fisica quantistica Michelle Simmons, fondatrice di Silicon Quantum Computing e direttrice del Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology presso l’UNSW.

Non solo Simmons e il suo team hanno creato quello che è essenzialmente un processore quantistico funzionale, ma lo hanno anche testato con successo modellando una piccola molecola in cui ogni atomo ha più stati quantistici, qualcosa che un computer tradizionale farebbe fatica a raggiungere.

Ciò suggerisce che ora siamo un passo avanti verso l’utilizzo finale della potenza di elaborazione quantistica per capire di più sul mondo che ci circonda, anche su scala più piccola.

“Negli anni ’50, Richard Feynman ha detto che non capiremo mai come funziona il mondo, come funziona la natura, a meno che non possiamo effettivamente iniziare a farlo sulla stessa scala”

ha detto Simmons a ScienceAlert.

“Se possiamo iniziare a comprendere i materiali così a fondo possiamo progettare cose che non sono mai state realizzate prima. La domanda è: come controlli effettivamente la natura a questo livello?”

L’ultima invenzione segue la creazione da parte del team del primo transistor quantistico in assoluto nel 2012.

Un transistor è un piccolo dispositivo che controlla i segnali elettronici e costituisce solo una parte del circuito di un computer. Un circuito integrato è più complesso in quanto mette insieme molti transistor.

Per fare questo salto nell’informatica quantistica, i ricercatori hanno utilizzato un microscopio a scansione a tunnel in un vuoto ultra alto per posizionare punti quantici con una precisione sub-nanometrica.

Il posizionamento di ciascun quantum dot doveva essere giusto in modo che il circuito potesse imitare il modo in cui gli elettroni saltano lungo una serie di carboni a legame singolo e doppio in una molecola di poliacetilene.

Le parti più complicate erano capire: esattamente quanti atomi di fosforo dovrebbero esserci in ciascun quantum dot; esattamente quanto dovrebbe essere distante ogni punto; e poi progettare una macchina in grado di posizionare i minuscoli punti esattamente nella giusta disposizione all’interno del chip di silicio.

Se i punti quantici sono troppo grandi, l’interazione tra due punti diventa “troppo grande per controllarli in modo indipendente”, affermano i ricercatori.

Se i punti sono troppo piccoli, si introduce la casualità perché ogni atomo di fosforo in più può modificare sostanzialmente la quantità di energia necessaria per aggiungere un altro elettrone al punto.

Il chip quantistico finale conteneva 10 punti quantici, ciascuno composto da un piccolo numero di atomi di fosforo.

I doppi legami di carbonio sono stati simulati mettendo meno distanza tra i punti quantici rispetto ai singoli legami di carbonio.

Il poliacetilene è stato scelto perché è un modello ben noto e potrebbe quindi essere utilizzato per dimostrare che il computer stava simulando correttamente il movimento degli elettroni attraverso la molecola.

I computer quantistici sono necessari perché i computer classici non possono modellare grandi molecole; sono semplicemente troppo complessi.

Ad esempio, per creare una simulazione della molecola della penicillina con 41 atomi, un computer classico avrebbe bisogno di 10 alla 86 transistor, ovvero “più transistor che atomi nell’universo osservabile”.

Per un computer quantistico, richiederebbe solo un processore con 286 qubit (bit quantistici).

Poiché gli scienziati attualmente hanno una visibilità limitata su come funzionano le molecole su scala atomica, c’è un sacco di congetture nella creazione di nuovi materiali.

Roberto Campagnola
Laureato in fisica delle particelle, attualmente assegnista di ricerca presso i Laboratori Nazionali di Frascati-INFN e il CERN, si occupa dell’upgrade dell’esperimento CMS – Compact Muon Solenoid per il Large Hadron Collider.