Gli scienziati sono un passo avanti verso un computer quantistico perfettamente funzionante

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I ricercatori fabbricano il dispositivo modellando e depositando cancelli metallici su un chip.  (Immagine: foto dell'Università di Rochester / J. Adam Fenster)
I ricercatori fabbricano il dispositivo modellando e depositando cancelli metallici su un chip. (Immagine: foto dell’Università di Rochester / J. Adam Fenster)

Il calcolo quantistico ha il potenziale per rivoluzionare la tecnologia, la medicina e la scienza fornendo processori, sensori e dispositivi di comunicazione più veloci ed efficienti. Ma trasferire informazioni e correggere errori all’interno di un sistema quantistico rimane una sfida per rendere efficaci i computer quantistici.

In un articolo  pubblicato sulla rivista  Nature , i ricercatori della Purdue University e dell’Università di Rochester, tra cui John Nichol, assistente professore di fisica, e Rochester Ph.D. gli studenti Yadav P. Kandel e Haifeng Qiao dimostrano il loro metodo di trasmissione delle informazioni trasferendo lo stato degli elettroni.

John Nichol e i dottorandi Yadav Kandel, a sinistra, e Haifeng Qiao, a destra, hanno dimostrato un modo per manipolare gli elettroni e trasmettere informazioni in modo quantico-meccanico, portando gli scienziati un passo avanti verso la creazione di un computer quantistico pienamente funzionale.  I computer quantistici saranno in grado di eseguire calcoli complessi, fattorizzare numeri estremamente grandi e simulare i comportamenti di atomi e particelle a livelli impossibili dai computer classici.  (Foto dell'Università di Rochester / J. Adam Fenster)
John Nichol e Ph.D. gli studenti Yadav Kandel, a sinistra, e Haifeng Qiao, a destra, hanno dimostrato un modo per manipolare gli elettroni e trasmettere informazioni in modo quantico-meccanico, avvicinando gli scienziati alla creazione di un computer quantistico completamente funzionale. I computer quantistici saranno in grado di eseguire calcoli complessi, fattorizzare numeri estremamente grandi e simulare i comportamenti di atomi e particelle a livelli impossibili dai computer classici. (Immagine: Università di Rochester, J. Adam Fenster)

La ricerca avvicina gli scienziati alla creazione di computer quantistici perfettamente funzionanti ed è l’ultimo esempio dell’iniziativa di Rochester per comprendere meglio il comportamento quantistico e sviluppare nuovi sistemi quantistici. L’Università ha recentemente ricevuto una sovvenzione di 4 milioni di dollari dal Dipartimento dell’Energia per esplorare materiali quantistici.

Computer quantistici

Un computer quantistico opera secondo i principi della meccanica quantistica, un insieme unico di regole che governano su scala estremamente ridotta di atomi e particelle subatomiche. Quando si tratta di particelle su queste scale, molte delle regole che governano la fisica classica non si applicano più ed emergono effetti quantistici; un computer quantistico è in grado di eseguire calcoli complessi, fattorizzare numeri estremamente grandi e simulare i comportamenti di atomi e particelle a livelli impossibili dai computer classici.

Il dottorando Yadav Kandel utilizza un generatore di forme d'onda arbitrarie per manipolare i qubit.  // L'assistente professore di fisica John M. Nichol viene fotografato nel suo laboratorio di Bausch & Lomb Hall insieme agli studenti di dottorato Yadav Kandel e Haifeng Qiao il 10 settembre 2019. Il gruppo ha un documento che verrà pubblicato su Nature alla fine di questo mese.  La ricerca di Nichol avvicina gli scienziati a un passo verso la creazione di un computer quantistico completamente funzionale, un tipo di computer che opera secondo i principi della meccanica quantistica.  I computer quantistici saranno in grado di eseguire calcoli complessi, fattorizzare numeri estremamente grandi e simulare i comportamenti di atomi e particelle a livelli che i computer classici (come i laptop e i desktop che utilizziamo nella nostra vita quotidiana) non possono.  Ciò potrebbe portare a nuove fonti di energia, nuove terapie farmacologiche, ricerche più rapide nel database,  e tecniche di rottura del codice.  Una delle sfide per la creazione di un computer quantistico efficiente è capire come trasferire informazioni e correggere errori all'interno di un sistema quantistico.  È qui che entra in gioco la nuova ricerca di Nichol. Nichol e i suoi colleghi della Purdue University hanno dimostrato un modo per trasferire lo stato quantico di un elettrone a un altro, senza spostare gli elettroni stessi.  Questo è un passo importante nel mostrare come l'informazione può essere trasmessa in modo quantico-meccanico.  // foto di J. Adam Fenster / Università di Rochester  Nichol e i suoi colleghi della Purdue University hanno dimostrato un modo per trasferire lo stato quantico di un elettrone a un altro, senza spostare gli elettroni stessi.  Questo è un passo importante nel mostrare come l'informazione può essere trasmessa in modo quantico-meccanico.  // foto di J. Adam Fenster / Università di Rochester  Nichol e i suoi colleghi della Purdue University hanno dimostrato un modo per trasferire lo stato quantico di un elettrone a un altro, senza spostare gli elettroni stessi.  Questo è un passo importante nel mostrare come l'informazione può essere trasmessa in modo quantico-meccanico.  // foto di J. Adam Fenster / Università di Rochester
Ph.D. lo studente Yadav Kandel utilizza un generatore di forme d’onda arbitrarie per manipolare i qubit.
(Immagine: J. Adam Fenster / Università di Rochester

I computer quantistici hanno il potenziale per fornire maggiori informazioni sui principi di fisica e chimica simulando il comportamento della materia in condizioni insolite a livello molecolare. Queste simulazioni potrebbero essere utili nello sviluppo di nuove fonti di energia e nello studio delle condizioni di pianeti e galassie o nel confronto di composti che potrebbero portare a nuove terapie farmacologiche. Nichol ha detto:

“Tu ed io siamo sistemi quantistici. Le particelle nel nostro corpo obbediscono alla fisica quantistica. Ma se provi a calcolare cosa succede con tutti gli atomi nel nostro corpo, non puoi farlo su un normale computer.

“Un computer quantistico potrebbe facilmente farlo.”

I computer quantistici potrebbero anche aprire le porte per ricerche di database e crittografia più veloci.

“Si scopre che quasi tutta la crittografia moderna si basa sull’estrema difficoltà per i computer normali di fattorizzare un gran numero.

“I computer quantistici possono facilmente fattorizzare numeri grandi e infrangere schemi di crittografia, quindi puoi immaginare perché molti governi sono interessati a questo.”

Bits vs Qubits

Un computer normale è composto da miliardi di transistor, chiamati bit. I computer quantistici, d’altra parte, si basano su bit quantici, noti anche come qubit, che possono essere creati da un singolo elettrone. A differenza dei transistor ordinari, che possono essere “0” o “1”, i qubit possono essere contemporaneamente “0” e “1”.

I sottili fili di alluminio collegano la superficie di un chip semiconduttore a processore quantico ai pad su un circuito.  I ricercatori fabbricano il dispositivo modellando e depositando cancelli metallici su un chip.  Le porte metalliche sono progettate per intrappolare singoli elettroni nel semiconduttore.  I ricercatori inviano segnali elettrici al dispositivo tramite i fili di alluminio, modificando la tensione sui cancelli metallici per controllare gli elettroni.  Ricevono anche segnali elettrici dal dispositivo per aiutare a monitorare il comportamento degli elettroni.  (Foto dell'Università di Rochester / J. Adam Fenster)
I sottili fili di alluminio collegano la superficie di un chip semiconduttore a processore quantico ai pad su un circuito. I ricercatori fabbricano il dispositivo modellando e depositando cancelli metallici su un chip. Le porte metalliche sono progettate per intrappolare singoli elettroni nel semiconduttore. I ricercatori inviano segnali elettrici al dispositivo tramite i fili di alluminio, modificando la tensione sui cancelli metallici per controllare gli elettroni. Ricevono anche segnali elettrici dal dispositivo per aiutare a monitorare il comportamento degli elettroni. (Immagine: foto dell’Università di Rochester / J. Adam Fenster)

La capacità dei singoli qubit di occupare questi “stati di sovrapposizione”, in cui si trovano contemporaneamente in più stati, è alla base del grande potenziale dei computer quantistici. Proprio come i computer ordinari, tuttavia, i computer quantistici hanno bisogno di un modo per trasferire informazioni tra qubit e questo rappresenta una grande sfida sperimentale. Nichol ha detto:

“Un computer quantistico deve avere molti qubit e sono davvero difficili da realizzare e da utilizzare.

“Lo stato dell’arte in questo momento sta facendo qualcosa con solo pochi qubit, quindi siamo ancora molto lontani dalla realizzazione del pieno potenziale dei computer quantistici.”

Tutti i computer, compresi i computer normali e quantistici e i dispositivi come gli smartphone, devono anche eseguire la correzione degli errori. Un normale computer contiene copie di bit, quindi se uno dei bit si guasta, “gli altri avranno il voto di maggioranza” e correggeranno l’errore.

Tuttavia, i bit quantistici non possono essere copiati. Nichol dice:

“Quindi devi essere molto intelligente su come correggere gli errori. Quello che stiamo facendo qui è un passo in quella direzione. “

Manipolazione di elettroni

La correzione dell’errore quantistico richiede che i singoli qubit interagiscano con molti altri qubit. Questo può essere difficile perché un singolo elettrone è come un magnete a barra con un polo nord e un polo sud che possono puntare verso l’alto o verso il basso.

Lo studente di dottorato Haifeng Qiao utilizza un filo metallico per stabilire un contatto elettrico tra il circuito e il dispositivo sperimentale.  (Foto dell'Università di Rochester / J. Adam Fenster)
Lo studente di dottorato Haifeng Qiao utilizza un filo metallico per stabilire un contatto elettrico tra il circuito e il dispositivo sperimentale. (Immagine: foto dell’Università di Rochester / J. Adam Fenster)

La direzione del polo, ad esempio se il polo nord è rivolto verso l’alto o verso il basso, è nota come momento magnetico dell’elettrone o stato quantico. Se alcuni tipi di particelle hanno lo stesso momento magnetico, non possono trovarsi nello stesso posto allo stesso tempo. Cioè, due elettroni nello stesso stato quantico non possono sedere uno sopra l’altro. Nichol ha detto:

“Questo è uno dei motivi principali per cui qualcosa come un penny, fatto di metallo, non crolla su se stesso.

“Gli elettroni si stanno allontanando perché non possono trovarsi nello stesso posto allo stesso tempo.”

Se due elettroni si trovano in stati opposti, possono sedere uno sopra l’altro. Una conseguenza sorprendente di ciò è che se gli elettroni sono abbastanza vicini, i loro stati si scambieranno avanti e indietro nel tempo.

“Se hai un elettrone che è attivo e un altro elettrone che è giù e li spingi insieme per la giusta quantità di tempo, si scambieranno.

“Non hanno cambiato posto, ma i loro stati sono cambiati”.

Per forzare questo fenomeno, Nichol e i suoi colleghi hanno raffreddato un chip semiconduttore a temperature estremamente basse. Usando punti quantici – semiconduttori su nanoscala – hanno intrappolato quattro elettroni di fila, quindi hanno spostato gli elettroni in modo da entrare in contatto e il loro stato è cambiato.

“Esiste un modo semplice per commutare lo stato tra due elettroni vicini, ma farlo su lunghe distanze – nel nostro caso, è di quattro elettroni – richiede un sacco di controllo e abilità tecniche.

“La nostra ricerca mostra che questo è ora un approccio praticabile per inviare informazioni su lunghe distanze.”

Un passo in avanti

Trasmettere avanti e indietro lo stato di un elettrone attraverso una serie di qubit, senza spostare la posizione degli elettroni, fornisce un esempio lampante delle possibilità consentite dalla fisica quantistica per la scienza dell’informazione. Michael Manfra, professore di fisica e astronomia alla Purdue University, ha dichiarato:

“Questo esperimento dimostra che le informazioni negli stati quantistici possono essere trasferite senza effettivamente trasferire i singoli giri di elettroni lungo la catena.

“È un passo importante per mostrare come l’informazione può essere trasmessa in modo quantico-meccanico – in modi abbastanza diversi da quelli che la nostra intuizione classica ci porterebbe a credere”.

Nichol paragona questo ai passaggi che hanno portato dai primi dispositivi informatici ai computer di oggi. Detto questo, un giorno avremo tutti i computer quantistici per sostituire i nostri computer desktop?

“Se avessi fatto questa domanda a IBM negli anni ’60, probabilmente avrebbero detto di no, non c’è modo che accada.

“Questa è la mia reazione ora. Ma chi lo sa?

Fornito da: Lindsey Valich,  Università di Rochester [Nota: i materiali possono essere modificati per contenuto e lunghezza.]

Articolo in inglese: http://www.visiontimes.com/2019/10/05/scientists-are-one-step-closer-to-a-fully-functioning-quantum-computer.html