Gli ingegneri quantistici dell'UNSW Sydney hanno rimosso un grosso ostacolo che impediva ai computer quantistici di diventare una 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 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 team di ricerca voleva risolvere il problema che per decenni ha lasciato perplessi gli scienziati informatici quantistici: come controllare non solo pochi ma milioni di qubit senza occupare spazio prezioso con più cavi, che utilizzano più elettricità e generano più calore.
Fino a questo punto, il controllo dei qubit di spin degli elettroni si affidava a noi che fornivamo campi magnetici a microonde facendo passare una corrente attraverso un filo proprio accanto al qubit.
Ciò pone alcune vere sfide se vogliamo scalare fino ai milioni di qubit di cui un computer quantistico avrà bisogno per risolvere problemi significativi a livello globale, come la progettazione di nuovi vaccini.
Innanzitutto, 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 abbiamo portato sempre più qubit, il che occuperebbe molto spazio 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.
Momento della lampadina
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 '1990, ma finora nessuno aveva trovato un modo pratico per farlo, fino ad ora.
“Prima abbiamo rimosso il filo vicino 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 team di ricerca.
Il team ha 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. Il primo è che non dobbiamo mettere molta potenza per ottenere un forte campo di guida per i qubit, il che significa che non generiamo molto calore. Il secondo è che il campo è molto uniforme su tutto il chip, in modo che milioni di qubit abbiano tutti lo stesso livello di controllo.
Team-up quantistico
Sebbene il team avesse sviluppato il prototipo del risonatore la tecnologia, non avevano i qubit di silicio su cui testarlo. Così ha parlato con il suo collega ingegnere dell'UNSW, il cui team negli ultimi dieci anni aveva dimostrato la prima e la più accurata logica quantistica utilizzando la stessa tecnologia di produzione del silicio utilizzata per realizzare i chip dei computer convenzionali.
Una volta sognati solo negli anni '1980, 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.
Cambiamento climatico, progettazione di farmaci e vaccini, decodifica del codice e intelligenza artificiale tutti trarranno vantaggio dalla tecnologia di calcolo quantistico.
Guardando al futuro
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 tutta l'altra elettronica necessaria per costruire un processore quantistico. Rende molto più semplice il compito di passare alla fase successiva della produzione di dispositivi con alcune decine di qubit.
Sebbene ci siano 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.
ELE Times
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