Svolta quantistica, il silicio più puro al mondo avvicina gli scienziati allo sviluppo dei computer quantistici

Roma –  Sviluppata una forma migliorata e ultrapura di silicio, che consente la costruzione di dispositivi qubit ad alte prestazioni, un componente fondamentale necessario per aprire la strada a computer quantistici scalabili. A riuscire nell’impresa scienziati dell’Università di Manchester, in collaborazione con l’Università di Melbourne, in Australia. La scoperta, pubblicata sulla rivista Communications Materials – Nature, potrebbe definire e far progredire il futuro dell’informatica quantistica. Più di cento anni fa, gli scienziati dell’Università di Manchester cambiarono il mondo quando scoprirono il nucleo degli atomi, segnando la nascita della fisica nucleare. Oggi la storia si ripete, ma questa volta nel campo dell’informatica quantistica. “Siamo riusciti a creare un “mattone” decisivo necessario per costruire un computer quantistico basato sul silicio”, ha detto Richard c, professore di Materiali elettronici avanzati presso l’Università di Manchester. “Si tratta di un passo fondamentale per rendere fattibile una tecnologia che ha il potenziale di essere trasformativa per l’umanità; una tecnologia che potrebbe darci la capacità di elaborare i dati su una scala tale da permetterci di trovare soluzioni a questioni complesse, come affrontare l’impatto del cambiamento climatico e le sfide della sanità”, ha continuato Curry. “È giusto che questo risultato si allinei con il duecentesimo anniversario della nostra Università di Manchester, che è stata all’avanguardia nell’innovazione scientifica, dalla scoperta di Rutherford sulla ‘scissione dell’atomo’ nel 1917, poi nel 1948 con ‘The Baby’, la prima dimostrazione reale di calcolo elettronico a programma memorizzato, sino ad ora con questo passo verso il calcolo quantistico”, ha aggiunto Curry. Una delle maggiori sfide nello sviluppo dei computer quantistici è rappresentata dal fatto che i qubit, gli elementi costitutivi dell’informatica quantistica, sono altamente sensibili e richiedono un ambiente stabile per mantenere le informazioni in essi contenute. Anche minuscoli cambiamenti nel loro ambiente, comprese le fluttuazioni di temperatura, possono causare errori nel computer. Un altro problema è la loro scala, sia per quanto riguarda le dimensioni fisiche che la potenza di elaborazione. Dieci qubit hanno la stessa potenza di elaborazione di 1.024 bit in un normale computer e possono potenzialmente occupare un volume molto più piccolo. Gli scienziati ritengono che un computer quantistico pienamente performante abbia bisogno di circa un milione di qubit, una capacità impossibile da raggiungere per qualsiasi computer classico. Il silicio, grazie alle sue proprietà di semiconduttore, è il materiale alla base dell’informatica classica. I ricercatori ritengono che potrebbe essere la risposta ai computer quantistici scalabili. Gli scienziati hanno passato gli ultimi 60 anni a imparare come ingegnerizzare il silicio per farlo funzionare al meglio delle sue capacità, ma nel calcolo quantistico ha le sue sfide. Il silicio naturale è composto da tre atomi di massa diversa, detti isotopi, che sono il silicio 28, 29 e 30. Il Si-29, che costituisce circa il 50% della massa del silicio, è un atomo di silicio. Tuttavia, il Si-29, che costituisce circa il 5% del silicio, causa un effetto di “flip flopping nucleare” che fa perdere informazioni al qubit. Grazie a una scoperta dell’Università di Manchester, gli scienziati hanno trovato il modo di ingegnerizzare il silicio per eliminare gli atomi di silicio 29 e 30, rendendolo il materiale perfetto per realizzare computer quantistici su scala e con un’elevata precisione. Ne è risultato il silicio più puro al mondo, in grado di fornire un percorso per la creazione di un milione di qubit, che possono essere fabbricati con le dimensioni di una testa di spillo. “Il grande vantaggio dell’informatica quantistica al silicio è che le stesse tecniche utilizzate per fabbricare i chip elettronici, attualmente all’interno di un computer di tutti i giorni, composti da miliardi di transistor, possono essere utilizzate per creare qubit per dispositivi quantistici basati sul silicio”, ha affermato Ravi Acharya, un ricercatore di dottorato che ha svolto il lavoro sperimentale nel progetto. “La capacità di creare qubit al silicio di alta qualità è stata in parte limitata finora dalla purezza del materiale di partenza del silicio”, ha proseguito Acharya. “La purezza rivoluzionaria che mostriamo qui risolve questo problema”, ha notato Acharya. Questa nuova caratteristica offre una tabella di marcia verso dispositivi quantistici scalabili con prestazioni e capacità senza precedenti e promette di trasformare le tecnologie in modi difficilmente immaginabili. “La nostra tecnica apre la strada a computer quantistici affidabili che promettono cambiamenti radicali in tutta la società, tra cui l’intelligenza artificiale, la sicurezza dei dati e delle comunicazioni, la progettazione di vaccini e farmaci, l’uso dell’energia, la logistica e la produzione”, ha evidenziato David Jamieson , dell’Università di Melbourne e co-supervisore del progetto. “Ora che siamo in grado di produrre silicio-28 estremamente puro, il nostro prossimo passo sarà dimostrare che possiamo sostenere la coerenza quantistica per molti qubit contemporaneamente”, ha dichiarato Jamieson. “Un computer quantistico affidabile con soli 30 qubit supererebbe la potenza degli attuali supercomputer per alcune applicazioni”, ha osservato Jamieson. Tutti i computer funzionano con gli elettroni. “Oltre ad avere una carica negativa, gli elettroni hanno un’altra proprietà nota come “spin”, spesso paragonata a una trottola”, ha spiegato Jamieson. “Lo spin combinato degli elettroni all’interno della memoria di un computer può creare un campo magnetico”, ha precisato Jamieson. “La direzione di questo campo magnetico può essere utilizzata per creare un codice in cui una direzione è chiamata 0 e l’altra 1”, ha specificato Jamieson. “Questo ci permette di usare un sistema numerico che utilizza solo 0 e 1 per dare istruzioni al computer”, ha aggiunto Jamieson. “Ogni 0 o 1 è chiamato bit”, ha illustrato Jamieson. “In un computer quantistico, invece dell’effetto combinato dello spin di molti milioni di elettroni, possiamo usare lo spin di singoli elettroni, passando dal mondo classico a quello quantistico; dall’uso dei bit a quello dei qubit”, ha sottolineato Jamieson. Mentre i computer classici eseguono un calcolo dopo l’altro, i computer quantistici possono eseguire tutti i calcoli contemporaneamente, consentendo l’elaborazione grandi quantità di informazioni e di eseguire calcoli molto complessi a una velocità senza pari. Pur essendo ancora nelle fasi iniziali dell’informatica quantistica, una volta sviluppati appieno, i computer quantistici saranno utilizzati per risolvere problemi complessi del mondo reale, come la progettazione di farmaci, e per fornire previsioni meteorologiche più accurate, calcoli troppo difficili per i supercomputer di oggi. (30Science.com)