(Il fisico Ray Simmonds del NIST mostra una scatolina contenente “atomi artificiali” destinati ai computer quantistici del prossimo futuro. Accanto, un refrigeratore criogenico per raffreddare gli atomi ad una temperatura vicina allo zero assoluto. Credit: Geoffrey Wheeler). Un team di fisici del National Institute of Standards and Technology (NIST) e della University of California di Santa Barbara (UCSB) ha realizzato un importante passo in avanti verso il possibile uso di “atomi artificiali”, fatti di nanomateriali superconduttori, per lo storaggio e l'elaborazione di dati negli ultra-potenti computer quantistici del prossimo futuro.

Il lavoro, pubblicato sul numero di febbraio del mensile Science, dimostra che è possibile misurare le proprietà quantistiche di due atomi artificiali interconnessi virtualmente allo stesso tempo. Il che significa che le proprietà di tali atomi possono essere coordinate artificialmente in modo del tutto simile a quanto avviene negli atomi reali grazie al fenomeno quantistico conosciuto come “entanglement”, una vera e propria “magia quantistica” che consentirà la realizzazione di porte logiche in cui il valore di un qubit - l'equivalente degli odierni bit - potrà essere determinato in base al valore del qubit ad esso collegato, in modi prevedibili.

“L'uso degli atomi artificiali consentirà l'esecuzione delle più semplici operazioni logiche, alla base del funzionamento di ogni computer, e costituisce un importante passo in avanti verso la realizzazione del primo computer quantistico” ha dichiarato John Martinis, che prima lavorava al NIST e ora insegna fisica alla UCSB. “Questo lavoro produrrà nuovi modi di progettare, controllare e misurare il comportamento quantistico dei sistemi elettronici” ha detto Ray Simmonds, fisico del NIST e co-autore del rapporto pubblicato su Science.

I nanomateriali superconduttori costituiscono solo una delle tante possibili tecnologie che sono state investigate per produrre qubits al NIST, alla UCSB e in tutto il resto del mondo. Le ricerche basate sull'utilizzo di atomi reali sono avanzate molto rapidamente, ma i nanomateriali superconduttori offrono il vantaggio di poter essere più facilmente fabbricati, connessi tra loro e connessi ai già esistenti circuiti integrati. Considerando che un singolo qubit, basato su nanomatriali superconduttori, è all'incirca grande quanto un capello umano, 2 qubits possono essere fabbricati su un singolo microchip al silicio di circa un pollice cubico.

Il lavoro pubblicato su Science parla di qubits basati su dei nano-superconduttori chiamati “Josephson junctions” (giunzioni di Josephson) che consistono di due pezzi di metallo separati da una sottile regione che supporta un “superflusso” di corrente. Gli scienziati usano queste giunzioni da più di 40 anniper manipolare e misurare correnti elettriche e voltaggi in modo molto preciso. L'esperimento condotto nei laboratori del NIST ha creato degli atomi artificiali usando correnti 1 miliardo di volte più deboli di quelle attualmente necessarie per alimentare una lampadina da 60 watt. Usando le giunzioni di Josephson, gli scienziati possono creare delle onde di corrente elettrica che oscillano avanti e indietro miliardi di volte al secondo, mimando le oscillazioni che occorrono naturalmente tra gli stati quantistici degli atomi reali (il noto dualismo quantistico onda-particella, ndr). E, come in un atomo reale, lo stato quantistico di una giunzione può essere manipolato per rappresentare una quantità numerica, un 1, uno 0 (è il caso dei bits), o perfino entrambi allo stesso tempo (è il caso dei qubits).

Come viene descritto su Science, il team di scienziati ha misurato lo stato dei qubits applicando un voltaggio della durata di 5 nanosecondi e rilevando un cambiamento nel campo magnetico attraverso un semplice trasformatore incorporato nella giunzione che funge da qubit. Per rilevare le sottili variazioni del campo magnetico hanno usato un dispositivo superconduttore a interferenza quantistica (SQUID). Se viene rilevato un segnale, allora il qubit si trova nello stato 1 (eccitato), se nessun segnale viene rilevato allora il qubit si trova nello stato 0. Mediante un timing ultra-preciso, il team è stato anche capace di misurare due qubits simultaneamente: lo stato 01/10 di entaglement che rappresenta la vera novità, fondamentale per produrre porte logiche quantistiche ed evitare ogni possibilità di perdere le informazioni.

Si tratta, fisicamente, di uno stato quantistico combinato, chiamato “superposizione”, in cui gli atomi oscillano a due diverse frequenze allo stesso tempo, che può essere indotto mediante l'applicazione di un piccolo voltaggio. In questo stato combinato, il primo qubit è eccitato (1) e il secondo no (0); successivamente, il primo qubit passa al totale relax (0) mentre il secondo si eccita (1). Entrambi oscillano tra questi estremi, avanti e indietro, alla stessa velocità, ma verso opposte direzioni. Oscillazioni che occorrono solo se le differenze di energia tra 0 e 1 sono uguali in entrambi i qubits. Tale comportamento indica che i due qubits sono “entangled”, tanto indissolubilmente quanto misteriosamente collegati.

La ricerca del NIST sulla computazione quantistica basata sulle giunzioni di Josephson, al momento guidata da Ray Simmonds, è parte del NIST's Quantum Information Program (Physics Laboratory's - Quantum Information), uno sforzo coordinato volto alla realizzazione del primo prototipo di un processore logico quantistico che dovrebbe consistere, approssimativamente, di poco più di 10 qubits.

Il gruppo di ricerca guidato da John Martinis all'UCSB Center for Spintronics and Quantum Computation, parte del California Nanosystems Institute (CNSI - CNSI), è focalizzato primariamente sulla realizzazione di un computer quantistico basato sulle giunzioni di Josephson.

articolo citato: R. McDermott, R.W. Simmonds, M. Steffen, K.B. Cooper, K. Cicak, K. Osborn, S. Oh, D.P. Pappas, and J.M. Martinis, "Simultaneous state measurement of coupled Josephson phase qubits," Science, Feb. 25, 2005.

COMPUTER QUANTISTICI PIÙ VICINI

Il primo computer quantistico potrebbe presto vedere la luce, secondo una ricerca pubblicata i primi di marzo su Nature da scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST). In teoria, potrebbe venire impiegato per rompere i più usati codici di crittografia, per migliorare l'ottimizzazione di sistemi complessi, come le prenotazioni aeree ad esempio, e per simulare altri sistemi quantistici complessi.

La maggiore sfida alla affidabilità di un computer quantistico - un computer capace di sfruttare le insolite proprietà della meccanica quantistica, dato che le informazioni vengono memorizzate a livello atomico-molecolare – è la fragilità degli stati quantici. Mentre i computers odierni usano milioni di transistors concentrati nei microchip per immagazzinare le informazioni elettroniche in forma di 0 e 1, i computer quantistici useranno atomi - naturali o artificiali - opportunamente manipolati, grazie alla nanotecnologia, per rappresentare le informazioni come bits quantistici – quantum bits o qubits – ovvero, oltre a 0 e 1 anche lo stato intermedio di 0 e 1 contemporaneamente.

Questi stati, gli stati macchina, sono così delicati per il funzionamento dell'intero sistema che la maggiore aleatorietà dei qubits renderà il sistema maggiormente suscettibile agli errori, come ad esempio quelli causati dalle sottili interferenze di rumori elettronici (noti come glitches, ndr).

Per cercare di risolvere il problema, Emanuel Knill, del NIST, ha suggerito di usare una gerarchia piramidale di qubits fatti dei più semplici blocchi atomici e teletrasportare i dati a intervalli chiave per controllare costantemente l'accuratezza dei valori espressi. Il teletrasporto atomico-quantistico, d'altronde, è stato sperimentato con successo lo scorso anno proprio al NIST, riuscendo a trasferire proprietà chiave di un atomo ad un altro senza collegamenti fisici. Il metodo di Knill sfrutta il teletrasporto per misurare come gli errori possono alterare il valore dei qubits ed eventualmente trasferire le informazioni ad altri qubits non ancora perturbati da errore.

“Realizzare un computer quantistico potrebbe rivelarsi più semplice di quel che credevamo”, dice Knill. Usando il suo modello di architettura, il sistema potrebbe perfino tollerare errori nelle singole operazioni logiche per un 3 percento dei livelli di rapporto tempo-performance (è il livello già raggiunto nei laboratori del NIST usando qubits basati su ioni). Il modello di Knill è il frutto di alcuni mesi di calcoli e simulazioni fatte girare sulle più convenzionali reti di computer. La nuova architettura deve però ancora essere validata matematicamente e testata in altri laboratori.

(l'immagine mostra come i qubits sono raggruppati in blocchi per formare i livelli. Per implementare tre livelli si faranno svolgere una serie di operazioni a 36 qubits - in basso - ognuno dei quali può rappresentare 0, 1 o entrambi, che produrranno due accurati ed affidabili qubits - in alto. Le palline porpora rappresentano qubits usati sia per il rilevamento di errore sia per i calcoli. Le palline gialle sono i qubits misurati per rilevare o correggere gli errori ma non per i calcoli finali). Questo articolo è stato pubblicato dal periodico “Space Daily”.

Istituzione scientifica citata nell'articolo:

National Institute of Standards and Technology

E-mail: Alessio Mannucci