I ricercatori delle Università di Melbourne e Manchester hanno inventato una tecnica innovativa per la produzione di silicio ultrapuro che permetterà lo sviluppo di potenti computer quantistici.
Silicio ultrapuro: il materiale perfetto per realizzare computer quantistici
La nuova tecnica per progettare il silicio ultrapuro lo rende il materiale perfetto per realizzare computer quantistici su larga scala e con elevata precisione.
Il co-supervisore del progetto, il professor David Jamieson, dell’Università di Melbourne, ha affermato che l’innovazione, pubblicata su Communications Materials, utilizza qubit di atomi di fosforo impiantati in cristalli di silicio puro e stabile e potrebbe superare una barriera critica all’informatica quantistica estendendo la durata notoriamente fragile coerenza quantistica.
“La fragile coerenza quantistica significa che gli errori di calcolo si accumulano rapidamente. Con la solida coerenza fornita dalla nostra nuova tecnica, i computer quantistici potrebbero risolvere in ore o minuti alcuni problemi che richiederebbero secoli ai computer convenzionali o “classici”, persino ai supercomputer,” ha affermato il professor Jamieson.
I bit quantistici o qubit, gli elementi costitutivi dei computer quantistici, sono suscettibili a piccoli cambiamenti nel loro ambiente, comprese le fluttuazioni di temperatura. Anche se utilizzati in refrigeratori vicini allo zero assoluto (meno 273 gradi Celsius), gli attuali computer quantistici possono mantenere una coerenza priva di errori solo per una piccola frazione di secondo.
Lo studio
Il co-supervisore dell’Università di Manchester, il professor Richard Curry, ha affermato che il silicio ultrapuro ha consentito la costruzione di dispositivi qubit ad alte prestazioni, un componente fondamentale necessario per aprire la strada verso computer quantistici scalabili.
“Quello che siamo stati in grado di fare è creare effettivamente un ‘mattone’ fondamentale necessario per costruire un computer quantistico basato sul silicio ultrapuro. È un passo cruciale per creare una tecnologia che abbia il potenziale di trasformare il genere umano”, ha affermato il professor Curry.
L’autore principale Ravi Acharya, ricercatore Cookson dell’Università di Manchester e dell’Università di Melbourne, ha affermato che il grande vantaggio dell’informatica quantistica con chip di silicio ultrapuro è che utilizza le stesse tecniche essenziali che compongono i chip utilizzati nei computer di oggi.
“I chip elettronici attualmente presenti nei computer di tutti i giorni sono costituiti da miliardi di transistor: questi possono anche essere utilizzati per creare qubit per dispositivi quantistici basati su silicio. La capacità di creare qubit di silicio di alta qualità è stata in parte limitata fino ad oggi dalla purezza del silicio materiale di partenza utilizzato. La purezza rivoluzionaria che mostriamo qui risolve questo problema“.
Il professor Jamieson ha affermato che i nuovi chip per computer in silicio ultrapuro ospitano e proteggono i qubit in modo che possano sostenere la coerenza quantistica molto più a lungo, consentendo calcoli complessi con una necessità notevolmente ridotta di correzione degli errori.
Il silicio, ricavato dalla sabbia delle spiagge, è il materiale chiave per l’odierna industria informatica perché è un semiconduttore abbondante e versatile: può fungere da conduttore o isolante di corrente elettrica, a seconda di quali altri elementi chimici vengono aggiunti ad esso.
“Altri stanno sperimentando alternative, ma crediamo che il silicio ultrapuro sia il principale candidato per i chip dei computer quantistici che consentiranno la coerenza duratura richiesta per calcoli quantistici affidabili“, ha affermato il professor Jamieson.
“Il problema è che mentre il silicio presente in natura è per lo più l’isotopo desiderabile silicio-28, c’è anche circa il 4,5% di silicio-29. Il silicio-29 ha un neutrone in più nel nucleo di ciascun atomo che agisce come un minuscolo magnete canaglia, distruggendo la coerenza quantistica e creando errori di calcolo“, ha aggiunto.
I ricercatori hanno diretto un raggio focalizzato e ad alta velocità di silicio-28 puro su un chip di silicio in modo che il silicio-28 sostituisse gradualmente gli atomi di silicio-29 nel chip, riducendo il silicio-29 dal 4,5% a due parti per milione (0,0002%).
“La grande novità è che per purificare il silicio a questo livello, ora possiamo utilizzare una macchina standard, un impiantatore di ioni, che potresti trovare in qualsiasi laboratorio di fabbricazione di semiconduttori, sintonizzata su una configurazione specifica da noi progettata“, ha affermato il professor Jamieson.
In una ricerca precedentemente pubblicata con l’ARC Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology, l’Università di Melbourne ha stabilito, e detiene tuttora, il record mondiale di coerenza a singolo qubit di 30 secondi utilizzando silicio meno purificato. Trenta secondi sono un tempo sufficiente per completare calcoli quantistici complessi e senza errori.
Conclusioni
Il professor Jamieson ha affermato che i più grandi computer quantistici esistenti avevano più di 1.000 qubit, ma si verificavano errori entro pochi millisecondi a causa della perdita di coerenza.
“Ora che possiamo produrre silicio ultrapuro, il nostro prossimo passo sarà dimostrare che possiamo sostenere la coerenza quantistica per molti qubit contemporaneamente. Un computer quantistico affidabile con soli 30 qubit supererebbe la potenza dei supercomputer odierni per alcune applicazioni“.
Un rapporto del 2020 del CSIRO australiano ha stimato che l’informatica quantistica in Australia abbia il potenziale per creare 10.000 posti di lavoro e 2,5 miliardi di dollari di entrate annuali entro il 2040.
“La nostra ricerca ci porta molto più vicini alla realizzazione di questo potenziale“, ha affermato il professor Jamieson.
