Computer quantistici, un altro passo avanti

AMES, Iowa – L’ultima frontiera dell’informatica è la realizzazione dei computer quantistici, oggi ancora allo stato embrionale (più sulla carta e nella mente dei fisici di tutto il mondo che nei laboratori di
ricerca). Ma le speranze per una tecnologia che rivoluzionerebbe completamente il modo per interpretare la realtà sono sempre più grandi, mano a mano che i ricercatori aggiungono nuovi tasselli al
puzzle. Ora alcuni fisici negli Stati Uniti hanno superato un altro grande ostacolo verso la realizzazione dell’informatica quantistica, scoprendo come proteggere le informazioni presenti nei quanti dal
degrado dall’ambiente e contemporaneamente eseguire il calcolo in un sistema quantistico allo stato solido. La ricerca è stata riportata nel numero del 5 aprile di Nature.

Un gruppo guidato dal fisico Viatsheslav Dobrovitski che lavora presso il Dipartimento dell’Energia americano e altri scienziati provenienti dalla Delft University of Technology, dall’Università della California
Santa Barbara e dalla University of Southern California, hanno annunciato di aver compiuto un grande passo in avanti sulla strada per sfruttare i movimenti di singoli elettroni e di nuclei atomici per poter elaborare l’informazione quantistica. La scoperta apre le porte a robusti dispositivi di computazione quantistica allo stato solido in grado di misurare il campo magnetico di un singolo atomo con una precisione senza precedenti.

L’elaborazione dell’informazione quantistica si basa sul movimento combinato di elementi microscopici, come gli elettroni, nuclei, fotoni, ioni, e piccoli dispositivi oscillanti che vengono usati per contenere un bit quantistico. Nell’elaborazione classica dell’informazione, i dati vengono memorizzati ed elaborati in bit. Un
bit può contenere due informazioni, la presenza di uno zero (0) o di un uno (1), come una sorta di micro-interruttore. In un bit quantistico, chiamato qubit, i dati possono invece essere rappresentati dall’orientamento nello spazio del qubit e in base alla sua relazione rispetto ad altri qubit. Questo ovviamente aumenta enormemente la quantità di informazioni che possono essere rappresentate rispetto ai bit classici.

Questa potenza di elaborazione dell’informazione quantistica pone anche una grande sfida: anche un piccolo errore può causare la perdita di dati presenti in un qubit. I qubit infatti tendono ad interagire molto facilmente con l’ambiente, e questo può provocare una enorme instabilità del sistema.

Ma, poiché la chiave nell’elaborazione delle informazioni quantistiche è il rapporto tra diversi qubit, non è facile isolare un singolo qubit dal suo ambiente.

“Il grande passo in avanti è che siamo riusciti a separare i singoli qubit dall’ambiente, in modo da conservare le informazioni, pur mantenendo l’accoppiamento tra i qubit stessi”, ha detto Dobrovitski.

Questo è stato realizzato con l’uso di un sistema ibrido allo stato solido che utilizza diversi tipi di qubit per svolgere funzioni diverse, proprio come diverse parti di una macchina si combinano per
farla funzionare.

“Il sistema ibrido che abbiamo utilizzato, basato sul momento magnetici di elettroni e nuclei atomici, può essere particolarmente adatto all’elaborazione dell’informazione quantistica, perché gli
elettroni si muovono velocemente e possono essere manipolati facilmente, ma perdono anche l’informazione quantistica molto in fretta. Invece, i nuclei si muovono molto lentamente, sono difficili da manipolare, ma anche conservano le informazioni molto bene,” ha detto Dobrovitski. “Si può vedere un’analogia tra questo sistema ibrido e le parti di un computer classico: il processore lavora velocemente ma non è in grado di mantenere le informazioni a lungo, mentre la memoria lavora lentamente, ma può memorizzare le informazioni per molto tempo.”

Di solito, quando un qubit si separa dal loro ambiente per proteggere il suo stato quantistico, si separa anche dagli altri qubit e quindi si perde completamente la relazione con il sistema complessivo. Ma Dobrovitski ha trovato una stretta finestra temporale in cui sia l’elettrone che il nucleo possono essere disaccoppiati dal loro ambiente mantenendo il loro relazione reciproca.

“La soluzione è applicare di un determinato modello di impulsi al momento magnetico dell’elettrone, in modo che piccole rotazioni tra ogni impulso coincide con la rotazione del nucleo”, ha detto Dobrovitski. “Possiamo separare questo movimento particolare di un singolo elettrone da migliaia di altri perché è sincronizzato con il movimento del momento magnetico del nucleo.”

Di conseguenza, i movimenti dell’elettrone e del nucleo rimangono legati e mantengono le loro capacità di elaborare l’informazione quantistica.

Esperimenti condotti da un team di scienziati della Delft University of Technology nei Paesi Bassi e dell’Università della California Santa Barbara, hanno dimostrato che lo sviluppo teorico di questa tecnica ha
funzionato bene nella pratica.

I ricercatori hanno mostrato che la tecnica può essere utilizzata per l’elaborazione su piccola scala di informazioni quantistiche. Gli scienziati hanno condotto con successo la ricerca con l’algoritmo Grover, un metodo matematico per la ricerca di liste casuali. In questo caso, hanno usato il sistema ibrido a stato solido per cercare  correttamente un elenco di quattro elementi casuali.

“Questa è la prima volta che viene utilizzata una computazione quantistica robusta utilizzando un sistema a stato solido con singoli atomi”, ha detto Dobrovitski. “Abbiamo dimostrato che anche con le inevitabili imperfezioni degli esperimenti, possiamo usare questo sistema per eseguire l’elaborazione quantistica dell’informazione in un modo che batte la sua controparte classica. Infatti, in un elenco di quattro elementi, il dispositivo quantistico trova con certezza l’elemento corretto guardando l’elenco una sola volta, mentre un computer classico deve ispezionare tutti i quattro elementi uno alla volta.”

Mentre una lista di quattro elementi è ancora molto piccola per dire che questo computer quantistico possa minimamente competere con i potenti elaboratori elettronici in circolazione, i fisici dicono che se le cose cambierebbero su un elenco casuale di un milione di voci. Utilizzando un computer basato sull’informatica classica, ci vogliono 500.000 accessi alla lista per poter risolvere il problema, mentre utilizzando l’elaborazione dell’informazione quantistica sarebbero necessarie solo 1.000 richieste. Questo, dicono i fisici, è un buon motivo per investire nell’informazione quantistica del futuro.