I ricercatori fanno passi avanti nel campo dell’informatica quantistica

Per decenni, l’informatica quantistica ha suscitato un intenso interesse, ma ha anche dovuto affrontare grandi sfide, tra cui mantenere i qubit a temperature estremamente basse, appena sopra lo zero assoluto. Queste temperature sono infatti necessarie per sfruttare i fenomeni quantistici che conferiscono ai computer quantistici le loro capacità di calcolo uniche.

Des bit…

Nel mondo dell’informatica spiccano due categorie principali di macchine: i computer classici, che dominano il panorama tecnologico da decenni, e i computer quantistici, una nuova generazione di macchine che promettono capacità di calcolo rivoluzionarie. Per comprendere le sfide attuali e le scoperte future, è essenziale comprendere questi due sistemi.

Un computer classico funziona secondo principi consolidati di elaborazione delle informazioni. Al centro di questa macchina ci sono i pezzile unità fondamentali dei dati. Ogni bit può esistere in uno di due stati: 0 o 1. Rappresentano rispettivamente l’assenza o la presenza di un segnale elettrico. Questi bit sono gli elementi elementari con cui vengono costruite tutte le operazioni e le manipolazioni dei dati.

Il funzionamento di un computer convenzionale si basa quindi su circuiti elettronici complessi, come processori, memorie e dispositivi di archiviazione che manipolano e trasmettono questi bit secondo le istruzioni programmate nel software. I dati vengono rappresentati ed elaborati in sequenza, un passo alla volta, seguendo algoritmi definiti.

Questo approccio classico ha dato prova di sé in una moltitudine di settori, dai calcoli matematici alle applicazioni multimediali fino alle operazioni bancarie e commerciali. Tuttavia, per alcuni problemi complessi, questo approccio raggiunge i suoi limiti a causa della sua natura sequenziale, che ha suscitato interesse per un nuovo approccio: il calcolo quantistico.

…ai qubit

A differenza della sua controparte classica, un computer quantistico sfrutta gli strani fenomeni della meccanica quantistica per eseguire calcoli. Al centro di questa macchina ci sono qubitle unità dell’informazione quantistica. A differenza dei bit classici, un qubit può esistere in uno stato di sovrapposizione, rappresentando sia 0 che 1 contemporaneamente grazie alle proprietà quantistiche della materia.

Inoltre, i qubit possono essere entangled, il che significa che lo stato di uno può essere collegato a quello di un altro, anche se spazialmente separati. Questa proprietà consente ai computer quantistici di esplorare in modo esponenziale un gran numero di possibilità in parallelo, fornendo un potenziale computazionale che supera di gran lunga le capacità dei computer classici per determinati compiti specifici.

Diversi vincoli con qubit e calcolo quantistico

Nonostante la loro promessa, manipolare i qubit è ancora difficile. Pensateli come minuscole particelle quantistiche, il cui stato può essere modificato o alterato dal minimo cambiamento nel suo ambiente. I qubit sono quindi incredibilmente sensibile alle interferenze da fattori esterni come variazioni del campo magnetico, fluttuazioni di temperatura o persino vibrazioni causate dalle attività umane nelle vicinanze.

Questa interferenza interrompe lo stato dei qubit, facendoli uscire dal loro delicato stato di sovrapposizione e potenzialmente causando problemi errori nei calcoli. Questi errori sono particolarmente problematici nei calcoli quantistici complessi in cui molte operazioni vengono eseguite in parallelo su molti qubit. Anche un piccolo errore in uno dei qubit può propagarsi e compromettere l’intero calcolo, riducendo l’affidabilità e l’efficienza del computer quantistico.

Per garantire risultati accurati e affidabili, è quindi essenziale mantenere un ambiente altamente controllato e isolato, che richiede sofisticati dispositivi di contenimento e condizioni operative molto specifiche.

Temperature estreme

Queste condizioni includono, tra le altre cose, temperature estremamente basse, appena sopra lo zero assoluto (0 Kelvin o -273,15°C). A queste temperature, l’agitazione termica è effettivamente ridotta al minimo, riducendo così le vibrazioni molecolari e le fluttuazioni del campo magnetico che potrebbero disturbare i qubit. Le proprietà quantistiche dei qubit, come lo stato di sovrapposizione e l’entanglement, possono quindi essere preservate più a lungo, il che è essenziale per eseguire calcoli quantistici precisi e affidabili.

Inoltre, alcuni materiali utilizzati per costruire qubit, come i superconduttorimostrano proprietà ottimali a temperature estremamente basse. Raffreddandoli vicino allo zero assoluto, questi materiali diventano superconduttori, ovvero conducono l’elettricità senza alcuna resistenza, essenziale per il funzionamento dei qubit.

Naturalmente, tutto ciò richiede dispositivi di refrigerazione massicci e complessi, che rappresentano una sfida logistica ed energetica significativa per la costruzione e il funzionamento dei computer quantistici.

Una svolta importante nel campo dell’informatica quantistica

In un recente studio pubblicato su , un team di ricercatori ha dimostrato però che un certo tipo di qubit, basato sugli spin dei singoli elettroni, può operare a temperature intorno a 1K, che equivale a a -272,15 gradi Celsius. Siamo quindi a un grado sopra lo zero assoluto. Potrebbe non sembrare molto, ma in questo settore la differenza è enorme.