Gli ingegneri dell’UNSW Sydney hanno rimosso un grosso ostacolo che impediva ai computer quantistici di diventare realtà. Hanno scoperto una nuova tecnica che, secondo loro, sarà in grado di controllare milioni di spin qubit, le unità di base delle informazioni in un processore quantistico al silicio.
Fino ad ora, gli ingegneri e gli scienziati dei computer quantistici hanno lavorato con un modello proof-of-concept di processori quantistici dimostrando il controllo di solo una manciata di qubit.
Ma con la loro ultima ricerca, pubblicata su Science Advances, il team ha trovato quello che considerano “il pezzo mancante del puzzle” nell’architettura del computer quantistico che dovrebbe consentire il controllo dei milioni di qubit necessari per calcoli straordinariamente complessi.
Il Dr. Jarryd Pla, un membro della facoltà della School of Electrical Engineering and Telecommunications dell’UNSW, afferma che il suo team di ricerca voleva risolvere il problema che aveva bloccato gli scienziati dei computer quantistici per decenni: come controllare non solo pochi ma milioni di qubit senza occupare spazio prezioso con più cablaggio, che utilizza più elettricità e genera più calore.
“Fino a questo punto, il controllo dei qubit di spin degli elettroni dipendeva dal fatto che fornissimo campi magnetici a microonde facendo passare una corrente attraverso un filo proprio accanto al qubit “, afferma il dott. Pla.
“Questo pone alcune vere sfide se vogliamo scalare fino ai milioni di qubit di cui un computer quantistico avrà bisogno per risolvere problemi importanti a livello globale, come la progettazione di nuovi vaccini”.
“Prima di tutto, i campi magnetici diminuiscono molto rapidamente con la distanza, quindi possiamo controllare solo quei qubit più vicini al filo. Ciò significa che dovremmo aggiungere sempre più fili man mano che introduciamo sempre più qubit, il che richiederebbe un sacco di componenti sul chip.”
E poiché il chip deve funzionare a temperature gelide, inferiori a -270°C, il Dr. Pla afferma che l’introduzione di più fili genererebbe troppo calore nel chip, interferendo con l’affidabilità dei qubit.
“Quindi torniamo a essere in grado di controllare solo pochi qubit con questa tecnica a filo”, afferma il dott. Pla.
Il risonatore dielettrico
La soluzione a questo problema ha comportato una rivisitazione completa della struttura del chip di silicio.
Piuttosto che avere migliaia di fili di controllo sullo stesso chip di silicio delle dimensioni di una miniatura che deve contenere anche milioni di qubit, il team ha esaminato la fattibilità di generare un campo magnetico dall’alto del chip in grado di manipolare tutti i qubit contemporaneamente.
Questa idea di controllare tutti i qubit contemporaneamente è stata posta per la prima volta dagli scienziati dell’informatica quantistica negli anni ’90, ma finora nessuno aveva trovato un modo pratico per farlo.
“Prima abbiamo rimosso il filo accanto ai qubit e poi abbiamo trovato un nuovo modo per fornire campi di controllo magnetici a frequenza di microonde attraverso l’intero sistema. Quindi, in linea di principio, potremmo fornire campi di controllo fino a quattro milioni di qubit”, afferma il dott. Pla.
Il Dr. Pla e il team hanno introdotto un nuovo componente direttamente sopra il chip di silicio, un prisma di cristallo chiamato risonatore dielettrico. Quando le microonde vengono dirette nel risonatore, focalizza la lunghezza d’onda delle microonde su una dimensione molto più piccola.
“Il risonatore dielettrico riduce la lunghezza d’onda al di sotto di un millimetro, quindi ora abbiamo una conversione molto efficiente della potenza delle microonde nel campo magnetico che controlla gli spin di tutti i qubit”.
“Ci sono due innovazioni chiave qui. La prima è che non dobbiamo mettere molta potenza per ottenere un forte campo di guida per i qubit, il che significa in modo cruciale che non generiamo molto calore. La seconda è che il campo è molto uniforme in tutto il chip, in modo che milioni di qubit abbiano tutti lo stesso livello di controllo”.
Quantum team-up
Sebbene il Dr. Pla e il suo team avessero sviluppato il prototipo della tecnologia del risonatore, non avevano i qubit di silicio su cui testarlo. Così ha parlato con il suo collega di ingegneria all’UNSW, il professore di Scientia Andrew Dzurak, il cui team nell’ultimo decennio ha dimostrato la prima e la più accurata logica quantistica utilizzando la stessa tecnologia di produzione del silicio utilizzata per realizzare chip per computer convenzionali.
“Sono rimasto completamente sbalordito quando Jarryd è venuto da me con la sua nuova idea”, afferma il prof. Dzurak, “e ci siamo subito messi al lavoro per vedere come potevamo integrarlo con i chip qubit che il mio team ha sviluppato”.
“Abbiamo inserito nel progetto due dei nostri migliori studenti di dottorato, Ensar Vahapoglu del mio team e James Slack-Smith di Jarryd“.
“Siamo stati felicissimi quando l’esperimento ha avuto successo. Questo problema di come controllare milioni di qubit mi preoccupava da molto tempo, poiché era un grosso ostacolo alla costruzione di un computer quantistico su vasta scala”.
Una volta sognati solo negli anni ’80, i computer quantistici che utilizzavano migliaia di qubit per risolvere problemi di importanza commerciale potrebbero ora essere a meno di un decennio di distanza. Oltre a ciò, dovrebbero portare nuova potenza di fuoco per risolvere le sfide globali e sviluppare nuove tecnologie grazie alla loro capacità di modellare sistemi straordinariamente complessi.
Il cambiamento climatico, la progettazione di farmaci e vaccini, la decrittazione del codice e l’intelligenza artificiale trarranno tutti vantaggio dalla tecnologia di calcolo quantistico.
Guardando avanti
Successivamente, il team prevede di utilizzare questa nuova tecnologia per semplificare la progettazione di processori quantistici al silicio a breve termine.
“La rimozione del cavo di controllo sul chip libera spazio per qubit aggiuntivi e per tutta l’altra elettronica necessaria per costruire un processore quantistico, il che rende molto più semplice il compito di passare alla fase successiva della produzione di dispositivi con alcune decine di qubit”, afferma Prof. Dzurak.
“Anche se ci sono sfide ingegneristiche da risolvere prima di poter realizzare processori con un milione di qubit, siamo entusiasti del fatto che ora abbiamo un modo per controllarli”, conclude il dott. Pla.
