Un passo fondamentale in direzione del computer quantistico in silicio

Un passo fondamentale in direzione del computer quantistico in silicio

Un'università australiana ha iniziato a definire le basi per la realizzazione di un'architettura di elaborazione quantistica basata sul silicio

di Andrea Bai pubblicata il , alle 11:01 nel canale Scienza e tecnologia
 

Un nuovo studio nel campo della computazione quantistica ha gettato le basi per la definizione di un'architettura per un computer quantistico in silicio che potrebbe scalare adeguatamente verso l'alto e permettere la correzione d'errore, due elementi fondamentali nel trasformare in realtà i concetti di quantum computing. Concetti che si basano sui principi della fisica quantistica e in particolare sulla possibilità che lo spin di un elettrone possa esistere in più di uno stato nello stesso momento. Questo significa che un quantum bit (qubit) ha la possibilità di rappresentare l'informazione come 1, 0 o simultaneamente i due valori, laddove un tradizionale bit può esistere solamente come 1 o 0 ma non una mescolanza di entrambi.

Già in precedenza un gruppo di scienziati australiani ha dimostrato qubit singoli basati sia sullo spin degli elettroni, sia sullo spin del nucleo di atomi di fosforo inseriti nel silicio. L'ultima ricerca definisce invece un'architettura di computer quantistico che prepara il terreno per costruire e controllare centinaia di migliaia di qubit. Michelle Simmons, fisica dell'University of New South Wales in Australia ha spiegato: "Quando si inizia a scalare verso l'alto le architetture qubit, bisogna spostarsi dal singolo qubit operativo per vedere come sia possibile realizzare un processore che permetta di operare più qubit allo stesso tempo".

Nell'edizione del 30 ottobre di Science Advances, Simmons e i colleghi hanno dettagliato un'architettura di computer quantistico in silicio, con l'University of New South Wales che ha gestito la parte sperimentale mentre un altro gruppo dell'University of Melbourne ha fornito le basi teoriche del progetto.

L'idea del computer quantistico di silicio è stata proposta per la prima volta nel 1998 da parte di Bruce Kane, un fisico dell'Unviersity of Maryland di College Park. I computer quantistici basati sul silicio possono, almeno a livello teorico, essere realizzati con le convenzionali tecniche di produzione dei semiconduttori che sono ampiamente utilizzate oggi nel settore. Un approccio che preveda il silicio nella computazione quantistica offre inoltre il vantaggio di una forte stabilità e qubit con elevati tempi di coerenza, ovvero la capacità di continuare a conservare l'informazione per il tempo necessario al completamento dei calcoli.

I ricercatori Australiani, compiendo notevoli passi avanti rispetto alla visione di Kane, hanno dimostrato la capacità di governare i singoli qubit basati sullo spin elettronico nel 2012 e il controllo dei qubit basati sullo spin del nucleo dell'atomo nel 2013. Due risultati che hanno mostrato i benefici degli atomi qubit con tempi di coerenza da record e qubit ad alta affidabilità.

Fino ad ora, però, non è stato chiaro come poter costruire grandi array di qubit senza un numero disagevolmente elevato di circuiterie di controllo per manipolare i qubit e leggere l'informazione conservata. I ricercatori hanno dovuto usare inoltre un'architettura adatta per poter applicare un tipo di correzione di errore quantistico nota con il nome di surface code, la quale richiede la capacità di controllare quasi tutti i qubit in parallelo e in maniera sincrona.

La nuova ricerca presenta una soluzione al problema dello scaling: i ricercatori hanno dettagliato un'architettura che interpone uno strato bidimensionale di qubit a spin nucleare tra due strati di linee di controllo. Questa architettura a sandwich permette di impiegare un minor numero di linee di controllo per attivare e controllare molti qubit nello stesso momento. "Invece di inviare un numero di segnali nelle linee di controllo all'array di qubit grossomodo equivalenti al numero di qubit presenti, con questo approccio è stato possibile inviarne un numero inferiore" ha spiegato Lloyd Hollenberg, fisico dell'University of Melbourne. "In questo modo il controllo è molto più semplice".

In teoria la nuova architettura può accorpare circa 25 milioni di physical qubit con un array che è 150 micron per 150 micron. Una tale quantità di qubit richiede qualcosa come 10 mila linee di controllo. A titolo di confronto un'architettura che tenta di controllare ciascun qubit individuale avrebbe invece richiesto un numero di linee di controllo 1000 volte superiore. L'array teorico di 25 milioni di qubit fisici presume una separazione di 30 nanometri tra ciascun qubit. Il team crede che sia possibile progettare array simili con una separazione inferiore e tempi di operatività più rapidi, ha sottolineato Hollenberg.

I ricercatori australiano hanno inoltre iniziato a vedere in che modo l'architettura di computazone quantistica basata sul silicio possa operare con la correzione d'errore surface code. Per il breve termine è stata pianificata la costruzione di array senza correzione d'errore con dimensioni tra 100 e 1000 qubit come "quantum simulator". Il prossimo passo è cercare di rendere ancor più pratica la correzione d'errore surface code. "Miriamo a definire i primi protocolli di correzione d'errore in circa cinque anni" ha osservato Simmons.

Quanto elaborato dai ricercatori rappresenta un passo fondamentale per questo approccio che prevede il coinvolgimento del silicio nella computazione quantistica, anche se non è l'unica strada percorribile per la costruzione di computer quantistici impiegando il silicio: un altro gruppo di ricercatori dell'University of New South Wales ha recentemente costruito un gate in silicio a due qubit basato su elettroni intrappolati in quantum dot.

La gara per costruire computer quantisitici include inoltre vari metodi che non necessariamente prevedono l'impiego del silicio. Alcuni laboratori di ricerca hanno tentato di intrappolare ed isolare gli ioni usando campi elettromagnetici. Altri, tra i quali i Quantum AI Lab di Google, hanno sperimentato con qubit basati su circuiti di metalli superconduttori. Precedentemente nel corso dell'anno i ricercatori di Google sono stati i primi a dimostrare la correzione d'errore survace code su un array lineare di nove qubit superconduttori.

La compagnia canadese D-Wave Systems ha invece affrontato la faccenda prendendo una direzione differente e concentrandosi su una versione più specialistica della computazione quantistica, chiamata quantum annealing, che può risolvere solo un insieme limitato dei cosiddetti problemi di ottimizzazione. D-Wave ha recentemente installato una versione a 1000-quibt delle sue machine presso gli AI Lab di Google per una fase di test.

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