L’informatica quantistica rappresenta una delle frontiere più affascinanti e promettenti della scienza e della tecnologia moderna, e con la recente scoperta di una forma di silicio potenziata e ultrapura (silicio-28), gli scienziati hanno aperto la porta a un futuro in cui i computer quantistici potrebbero superare di gran lunga le capacità dei supercomputer attuali.
Questo nuovo tipo di silicio potrebbe essere la chiave per realizzare qubit con spin di silicio-28 altamente affidabili, che sono elementi fondamentali per il funzionamento dei computer quantistici.
I computer classici, che conosciamo e utilizziamo quotidianamente, codificano i dati in bit che possono assumere solo uno dei due stati possibili: 1 o 0, al contrario, i qubit dei computer quantistici possono esistere in una sovrapposizione di questi stati, raggiungendo uno stato quantistico noto come “coerenza”. Questo permette loro di occupare sia lo stato 1 che lo stato 0 simultaneamente durante l’elaborazione dei calcoli, offrendo potenzialità di calcolo enormemente superiori.
Per realizzare appieno questa potenza di calcolo, gli scienziati stimano che un computer quantistico avrebbe bisogno di circa un milione di qubit, ed attualmente, il più grande computer quantistico esistente dispone di circa 1.000 qubit, dimostrando quanto siamo ancora lontani dal raggiungere questo obiettivo.
Ciononostante la sfida non si limita solo al numero di qubit, infatti questi sono “rumorosi”, ovvero altamente sensibili a interferenze esterne come variazioni di temperatura, e devono essere raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto per mantenere la loro stabilità, per l’appunto senza un adeguato raffreddamento, i qubit perdono facilmente informazioni e possono fallire durante le operazioni.
La ricerca di qubit più stabili e meno sensibili alle interferenze ha portato gli scienziati a esplorare nuovi materiali, tradizionalmente i qubit sono realizzati con metalli superconduttori come il tantalio e il niobio, che offrono conduttività quasi infinita e resistenza quasi nulla, tuttavia il recente studio pubblicato sulla rivista Nature Communications Materials propone l’uso di una nuova forma pura di silicio come alternativa più scalabile ai materiali superconduttori.
La società di calcolo quantistico QuEra sostiene che i qubit realizzati con materiali semiconduttori come il silicio, il gallio o il germanio offrono diversi vantaggi rispetto ai qubit metallici superconduttori, tra questi vantaggi vi sono tempi di coerenza relativamente lunghi, costi di produzione ridotti, funzionamento a temperature più elevate e dimensioni estremamente ridotte, che consentono di integrare un numero elevato di qubit in un singolo chip, tuttavia le impurità presenti nei materiali semiconduttori possono causare decoerenza durante i calcoli, rendendo i qubit inaffidabili.
Per superare questo ostacolo, gli scienziati hanno proposto l’uso del silicio-28 (Si-28), descritto come “il silicio più puro del mondo”, ottenuto eliminando le impurità presenti nel silicio naturale; questi qubit basati sul silicio-28 sarebbero meno soggetti a guasti e potrebbero essere fabbricati in dimensioni estremamente ridotte, paragonabili a quelle di una capocchia di spillo.
Il silicio naturale è composto da tre isotopi –silicio-28 (92.23), silicio-29 (4.67%) e silicio-30 (3.10%)–, e funziona bene nell’informatica convenzionale grazie alle sue proprietà metalloidi, e dato il fatto che l’isotopo silicio-29, che costituisce quasi il 5% del silicio naturale, causa un “effetto flip-flop nucleare” che porta alla decoerenza e alla perdita di informazioni quando utilizzato nell’informatica quantistica.
Per risolvere questo problema, gli scienziati hanno sviluppato un nuovo metodo per ingegnerizzare il silicio senza gli isotopi silicio-29 e silicio-30, sfruttando nella sua integrità il silicio-28.
Richard Curry, professore di materiali elettronici avanzati all’Università di Manchester e autore principale dello studio, ha affermato che la creazione di questo “mattone” fondamentale è un passo cruciale per rendere fattibile una tecnologia che ha il potenziale di trasformare il genere umano. Oltre a quanto precedentemente detto, i componenti per i computer quantistici basati sul silicio potrebbero essere costruiti utilizzando gli stessi metodi impiegati per produrre i classici chip elettronici, che possono ospitare miliardi di transistor su un minuscolo circuito.
I qubit di silicio, o qubit con spin di silicio, non sono una novità, ma la qualità del silicio non è mai stata così pura, e questo livello di purezza viene determinato sulla base di test al microscopio; grazie ai metodi di fabbricazione dei chip esistenti, i qubit a base di silicio potrebbero essere prodotti molto più facilmente rispetto ad altri tipi di qubit.
Di conseguenza, i computer quantistici che li utilizzano potrebbero essere scalati fino a un milione di qubit molto più rapidamente rispetto ai metodi concorrenti.
David Jamieson, professore di fisica all’Università di Melbourne e co-supervisore del progetto, ha dichiarato che il prossimo passo sarà dimostrare che è possibile sostenere la coerenza quantistica per molti qubit simultaneamente, per di più un computer quantistico affidabile con soli 30 qubit potrebbe superare la potenza dei supercomputer odierni per alcune applicazioni.
L’importanza dell’applicazione del silicio-28
La rivoluzione del silicio-28 (Si-28) nell’informatica quantistica non è solo una questione di purezza materiale, ma rappresenta un cambio di paradigma nella progettazione e nella realizzazione di computer quantistici. La possibilità di utilizzare un materiale semiconduttore come il silicio, già ampiamente impiegato nell’industria dei microchip, apre scenari inediti per l’integrazione di qubit in dispositivi elettronici esistenti.
La sfida principale che gli scienziati devono affrontare è la decoerenza, un fenomeno che causa la perdita di informazioni nei qubit a causa di interazioni indesiderate con l’ambiente esterno. Questo problema è particolarmente acuto nei materiali semiconduttori a causa delle impurità e delle imperfezioni atomiche che possono alterare gli stati quantistici dei qubit, tuttavia il silicio-28 ultrapuro elimina gran parte di queste impurità, riducendo significativamente il rischio di decoerenza e aumentando i tempi di coerenza dei qubit.
Il processo di ingegnerizzazione del silicio per eliminare gli isotopi Si-29 e Si-30, e lasciare solo il silicio-28, è un esempio di come la scienza dei materiali possa contribuire in modo determinante al progresso dell’informatica quantistica. Gli isotopi indesiderati, come il Si-29, sono responsabili dell’effetto flip-flop nucleare, un tipo di interazione che può rapidamente distruggere la coerenza quantistica, e rimuovendo proprio questi isotopi, gli scienziati hanno creato un ambiente più stabile per i qubit, permettendo loro di mantenere la coerenza per periodi di tempo più lunghi.
La produzione di silicio-28 ultrapuro non è solo una questione tecnica, ma anche economica. La possibilità di utilizzare metodi di fabbricazione già esistenti per i chip elettronici convenzionali potrebbe ridurre drasticamente i costi associati alla costruzione di computer quantistici, inoltre la compatibilità del silicio-28 con le tecnologie attuali potrebbe accelerare l’integrazione dei computer quantistici in una varietà di settori, dalla ricerca scientifica all’industria, dalla medicina alla sicurezza informatica.
La visione di un futuro in cui i computer quantistici sono accessibili e utilizzati ampiamente dipende dalla capacità di superare le sfide tecniche attuali, ed il lavoro di ricercatori come Richard Curry e David Jamieson è fondamentale per trasformare questa visione in realtà. Con il silicio-28 come base, i qubit potrebbero diventare abbastanza stabili da permettere la costruzione di computer quantistici con decine, centinaia o addirittura migliaia di qubit funzionanti simultaneamente.
Poter aver accesso a tutto ciò significa che anche un piccolo computer quantistico potrebbe risolvere problemi che oggi richiedono l’uso di macchine enormi e costose, senza contare che le implicazioni di questa possibilità sono enormi, con potenziali applicazioni che vanno dalla simulazione di molecole complesse per lo sviluppo di nuovi farmaci, alla risoluzione di problemi di ottimizzazione complessi, fino alla creazione di nuovi algoritmi di crittografia.
In conclusione, il silicio-28 ultrapuro rappresenta una svolta potenzialmente rivoluzionaria per l’informatica quantistica. Sebbene ci siano ancora molte sfide da superare, i progressi nella scienza dei materiali e nella tecnologia dei semiconduttori stanno aprendo la strada a un futuro in cui i computer quantistici potrebbero diventare una parte integrante della nostra vita quotidiana, trasformando il modo in cui elaboriamo e utilizziamo le informazioni.
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