La realtà, almeno per come la conosciamo, va solo così in profondità. Guarda abbastanza da vicino qualsiasi oggetto, fino al livello di molecole e atomi, e il mondo inizia a giocare secondo le proprie regole. Questo è il regno della fisica quantistica: dove ondate di energia e le particelle sono le stesse, e strani fenomeni come il teletrasporto sono la norma.
Interno del computer quantistico – foto illustrativa. Credito immagine: IBM Research tramite FlickrCC BY-ND 2.0
Questi tratti enigmatici potrebbero essere la chiave per nuovi computer e componenti elettronici rivoluzionari. Invece di utilizzare transistor al silicio, come un computer tradizionale o un circuito integrato, i dispositivi quantistici si affidano a particelle subatomiche come mezzo per instradare ed elaborare le informazioni, rendendole più veloci e più potenti di qualsiasi altro hardware elettronico che possiamo attualmente immaginare.
Tre nuovi docenti della School of Electrical and Computer Engineering di Cornell stanno lavorando per rendere i dispositivi quantistici pratici e scalabili.
Professore assistente Karan MehtaProfessore Mohamed Ibrahim e professore associato Marco Wildestanno andando ben oltre la fisica applicata nel loro lavoro, incorporando elementi di progettazione di circuiti, fotonica, architettura dei sistemi, teoria dell’informazione e altri campi per rendere i computer quantistici una realtà.
Da sinistra: l’assistente professore Mohamed Ibrahim, l’assistente professore Karan Mehta e il professore associato Mark Wilde – tutti della School of Electrical and Computer Engineering – stanno lavorando per rendere i dispositivi quantistici pratici e scalabili. Credito immagine: Eric Laine, Cornell University
Intrappolare gli ioni
Mehta, ad esempio, studia un elemento costitutivo di base dei computer quantistici, un componente specializzato chiamato “qubit di ioni intrappolati”. È essenzialmente un singolo atomo sospeso nel vuoto da campi elettrici e controllato con laser. L’uso di questi laser per manipolare lo spin e la carica degli atomi rende possibile “programmarli” per eseguire semplici algoritmi.
Tuttavia, come con qualsiasi componente elettronico, questi qubit hanno pro e contro, osserva Mehta. Un vantaggio è che ogni ione è sospeso nello spazio e isolato da altri atomi, il che significa che è esposto a pochissime interferenze o rumore. Ma il controllo di questi qubit è complicato e man mano che i sistemi diventano sempre più grandi, altre fonti di rumore possono insinuarsi nel sistema, impedendogli di funzionare senza problemi.
Eliminare quel rumore è una parte fondamentale della costruzione di un utile computer quantistico, che richiederebbe migliaia o addirittura milioni di qubit.
“Quando hai un gran numero di qubit ionici in un sistema, controllarli con milioni di raggi laser che si muovono nello spazio libero diventa molto difficile”, dice Mehta. “Ogni volta che aggiungi più qubit nel sistema, la complessità dell’apparato di controllo introdurrà più potenziali errori e rumore.”
Nel calcolo quantistico, quel rumore può confondere l’output di una macchina. Quando compaiono minuscole vibrazioni, calore o qualsiasi altra cosa che perturba casualmente uno ione intrappolato, i qubit perdono un tratto critico chiamato sovrapposizione, un fenomeno in cui gli elettroni esistono in più stati contemporaneamente, consentendo ai programmatori di eseguire diverse iterazioni di un problema contemporaneamente.
Se è presente del rumore, tuttavia, quella sovrapposizione collasserà prematuramente, creando errori nel calcolo.
Mehta sta cercando di aggirare questa limitazione utilizzando dispositivi a stato solido per manipolare e rilevare lo stato di ogni qubit. Pensa che l’utilizzo di impulsi di luce inviati ai qubit e raccolti in dispositivi di controllo basati su chip basati su fibre ottiche possa essere la chiave per sistemi quantistici puliti ea basso rumore.
Tali sistemi potrebbero consentire sistemi su larga scala e anche ridurre significativamente il rumore in eccesso, rendendo i qubit più stabili.
“Dal punto di vista ingegneristico, questo può affrontare l’elefante nella stanza, che è la sfida di controllare questi sistemi quantistici altrimenti incontaminati”, afferma. “L’idea è di sfruttare i vantaggi fondamentali di sistemi quantistici estremamente puliti e a basso rumore, insieme a hardware scalabile”.
Sistemi quantistici su chip
Ibrahim è d’accordo con quella valutazione. Sta lavorando su sistemi quantistici scalabili su scala di chip nel suo laboratorio utilizzando i circuiti integrati (IC) avanzati e minuscoli di oggi.
Ibrahim sta sviluppando sensori quantistici integrati utilizzando una forma specializzata di cristalli di diamante. Invece di carbonio puro, questi diamanti sono seminati con atomi di azoto. Quando accoppiato con un sito vacante, ogni atomo di azoto introduce un centro di vacanza di azoto (NV) con nuove proprietà uniche.
Esponendo questi cristalli a un flusso crescente di energia a microonde e impulsi di luce verde, dice, iniziano a brillare di rosso fluorescente con un’intensità che dipende dagli stati di spin degli elettroni dei centri NV – e registrando le frequenze esatte a cui un tuffo in Quando si verifica l’intensità della fluorescenza, Ibrahim può tracciare la temperatura e misurare l’intensità dei campi magnetici ed elettrici che circondano il sensore.
Sebbene questa sia una proprietà ben nota, Ibrahim sta lavorando per combinare tutti gli elementi coinvolti in un singolo dispositivo miniaturizzato su scala di chip, inclusa la sorgente radio a microonde su chip e i circuiti di rilevamento della luce rossa. Questi sono co-confezionati con un reticolo cristallino di diamante e un emettitore laser verde.
Circuiti integrati come questi, dice, potrebbero avere tutti i tipi di applicazioni diverse, dalla navigazione globale al rilevamento di segnali bioelettrici nel cuore e nel cervello, ma Ibrahim dice di essere anche interessato a costruire controller integrati per computer quantistici, dove potrebbero aiutare a risolvere un problema secolare.
“I qubit devono essere conservati in un frigorifero criogenico. Per inviare segnali tra quegli ambienti ultra freddi e i computer classici che controllano i qubit, attualmente utilizziamo cavi, che limitano la scalabilità a migliaia di qubit”, afferma.
Utilizzando circuiti integrati criogenici come intermediari, operando a pochi Kelvin, potrebbe essere possibile costruire controller multi-qubit in grado di scalare a un numero maggiore di qubit in modo molto più efficiente.
“Tuttavia, dobbiamo ancora comunicare con una temperatura fredda intermedia, che attualmente viene eseguita utilizzando cavi coassiali conduttivi. Poiché questi cavi sono anche termicamente conduttivi, possiamo effettivamente perdere energia lungo di essi nell’ordine di pochi milliwatt”, afferma.
Ibrahim sta lavorando a ricetrasmettitori efficienti in grado di risolvere questo problema utilizzando la comunicazione wireless o cavi con conducibilità termica molto bassa, come le fibre ottiche. L’utilizzo dei circuiti integrati per sviluppare nuove architetture per interfacciare o controllare direttamente i qubit permetterebbe di aumentarne il numero, aprendo l’era dei computer quantistici su larga scala.
Programmare qubit
Non importa quanto robusto o efficiente possiamo realizzare un computer quantistico, tuttavia, non andremo molto lontano a meno che non scopriamo i modi più efficaci per usarlo, un’area che Wilde sta studiando attivamente.
Mentre i suoi colleghi della School of Electrical and Computer Engineering stanno sviluppando nuovo hardware e software per trasformare questi dispositivi in realtà, Wilde sta rivolgendo la sua attenzione alla teoria dell’informazione quantistica o ai complessi algoritmi utilizzati per elaborare le informazioni all’interno di quel dispositivo.
Non sorprende, dice, che i computer quantistici siano molto meno semplici dei classici dispositivi al silicio. Un computer classico con due bit, ognuno dei quali assume valori zero e uno, può generare quattro diverse combinazioni di quei numeri (00, 01, 10 e 11), ma può calcolarne solo uno alla volta.
Un computer quantistico, d’altra parte, può esplorare tutte e quattro le possibili risposte contemporaneamente e, di conseguenza, richiede metodi di programmazione completamente nuovi.
“L’intelligenza coinvolta nell’ideazione di un algoritmo quantistico è quella di far sparire le cattive possibilità di una risposta; eliminarli dal calcolo come potare un albero, e quindi amplificare i percorsi che porteranno a una soluzione corretta quando alla fine la misurerai”, afferma Wilde.
Poiché il rumore nel sistema quantistico introdurrà errori durante il processo di potatura, Wilde sta lavorando su modi per correggere tali istanze e garantire che glitch rumorosi non distorcano l’output del computer.
Una tecnica, osserva, consiste nel rendere gli algoritmi quantistici il più efficienti possibile, riducendo il tempo necessario per l’esecuzione e limitando le possibilità dei qubit di essere corrotti dal rumore durante il calcolo.
Sebbene stia lavorando a nuovi modi per costruire robusti algoritmi quantistici, il lavoro di Wilde non è interamente focalizzato su soluzioni pratiche. Sta anche cercando di rispondere a enigmi con un’inclinazione più filosofica.
“Voglio capire i limiti ultimi della comunicazione”, dice.
“In ogni attività di comunicazione, dovrai eseguire una sorta di calcolo su entrambe le estremità, e in ogni attività di calcolo dovrai comunicare tra i qubit all’interno del computer, quindi il calcolo e la comunicazione sono inevitabilmente intrecciati, e non puoi mai separarli. Con questo in mente, chiede, quali sono i limiti fisici di questi processi? E fino a che punto possiamo spingerli?
Queste domande non sono solo esperimenti mentali astratti; sono il pane quotidiano del lavoro che Wilde ei suoi colleghi stanno attualmente svolgendo. Col tempo, la ricerca interdisciplinare che esce dai loro laboratori potrebbe rivoluzionare l’informatica e l’ingegneria elettrica nel suo complesso, aprendo una serie infinita di nuove possibilità basate sulla fisica quantistica.
Fonte: Università Cornell
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org