Chip criogenico rivoluzionerà computer quantistici?

Un team di scienziati australiani ha sviluppato un nuovo tipo di chip per computer criogenici in grado di funzionare a temperature così basse da avvicinarsi al limite teorico dello zero assoluto.

Questo sistema criogenico, chiamato Gooseberry, pone le basi per quella che potrebbe essere una rivoluzione nel calcolo quantistico, consentendo a una nuova generazione di macchine di eseguire calcoli con migliaia di qubit o più, mentre i dispositivi più avanzati di oggi sono in grado di eseguire calcoli solo con dozzine di qubit.

«I più grandi computer quantistici del mondo attualmente operano con circa 50 qubit», spiega il dott. David Reilly, fisico quantistico dell'Università di Sydney e del Quantum Laboratory di Microsoft.

«I computer quantistici non hanno grandi capacità di calcolo in parte a causa dei limiti all'architettura fisica che controlla i qubits» prosegue il ricercatore.

I chip qubit eseguono i calcoli quantistici in condizioni estreme, quest'ultime vincolano l'architettura fisica dei sistemi.

Immagine 1 - A sinistra il chip Gooseberry (rosso) al centro un chip di prova qubit (blu) e a destra un chip risonatore (viola). Credits: Microsoft.

A differenza dei bit binari nei computer tradizionali, che assumono il valore 0 oppure 1, i qubit assumono ciò che è definito come sovrapposizione quantistica, si tratta cioè di uno stato indefinito e non misurato che può effettivamente rappresentare sia 0 sia 1 allo stesso tempo nel contesto di un'operazione matematica più grande.

Questo principio della meccanica quantistica sta a indicare che i computer quantistici in teoria possono risolvere problemi matematici molto complessi che i computer classici non sarebbero mai in grado di rispondere oppure richiederebbero anni di tentativi per trovare delle soluzioni.

Tuttavia, anche nel caso dei computer quantistici, avere una maggiore potenza di calcolo rappresenta un vantaggio non trascurabile; attualmente i ricercatori sono limitati nella risoluzione di problemi matematici complessi a causa del limitato numero di qubit che è possibile implementare con successo nei sistemi quantistici.

Una delle ragioni di tale limite è che i qubit hanno bisogno di livelli estremi di freddo per funzionare (oltre ad altre condizioni controllate) e il cablaggio elettrico utilizzato nei sistemi informatici quantistici di oggi emette inevitabilmente piccoli ma sufficienti livelli di calore che alterano i requisiti termici necessari.
 

Gli scienziati stanno cercando dei modi per aggirare tale limite, ma molte innovazioni quantistiche fino ad oggi si sono concentrate sull'escogitare ingombranti piattaforme di cablaggio per mantenere stabili le temperature in modo da aumentare il numero di qubit, ma tale soluzione ha dei limiti.

«Le macchine attuali creano una bella matrice di fili per controllare i segnali; sembrano un nido di uccelli dorati invertito o un lampadario», afferma Reilly.

«Sono belli, ma fondamentalmente poco pratici. Significa che non possiamo ingrandire le macchine in modo da eseguire calcoli utili. C'è un vero e proprio collo di bottiglia tra ingresso e uscita».

La soluzione a tale collo di bottiglia potrebbe essere Gooseberry: un chip di controllo criogenico in grado di funzionare a temperature 'millikelvin', si tratta "solo" di una piccola frazione di grado sopra lo zero assoluto, come descritto nel nuovo studio.

Questa estrema capacità termica sta a significare che il chip criogenico può essere posizionato all'interno dell'ambiente refrigerato super-freddo con i qubit in modo da interfacciarsi con essi trasferendo i segnali dai qubits a un nucleo secondario che si trova all'esterno in un altro serbatoio estremamente freddo, immerso nell'elio liquido.

In questo modo è possibile rimuovere tutto il cablaggio in eccesso e con esso il relativo calore che viene generato. Se i ricercatori riusciranno a realizzare con successo tale sistema allora i colli di bottiglia che avvengono simultaneamente nel calcolo quantistico potrebbero diventare un ricordo del passato.

«Il chip è il sistema elettronico più complesso che funziona a questa temperatura», scrive Reilly.

«Questa è la prima volta che un chip a segnale misto con 100.000 transistor  funziona alla temperatura di 0,1 °K, [l'equivalente di] -459,49 °F oppure -273,05 °C» prosegue lo scienziato.

In definitiva, il team di scienziati si aspetta che il sistema tramite il chip criogenico sia in grado di controllare migliaia di qubit, stiamo parlando di un aumento pari a circa 20 volte il valore che è possibile raggiungere con gli attuali sistemi. In futuro, lo stesso tipo di approccio potrebbe consentire di raggiungere un livello completamente diverso per i computer quantistici.

«Perché non iniziare a pensare a miliardi di qubits?» scrive Reilly. «Più qubit possiamo controllare meglio è». prosegue lo scienziato. 

Anche se potrebbe volerci del tempo prima di vedere applicata praticamente questa svolta criogenica al di fuori del laboratorio, non c'è dubbio che stiamo guardando a un grande passo in avanti nel calcolo quantistico, scrivono i ricercatori.

«Questo passaggio sarà trasformativo nei prossimi anni», scrive il dott. Andrew White, direttore dell'ARC Centre of Excellence for Engineered Quantum Systems, ricercatore che non è stato coinvolto nello studio ma supervisiona la ricerca quantistica in Australia.

Riferimenti

I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista Nature Electronics.