Ecco come costruire il primo computer quantistico su larga scala

In quello che potrebbe essere definito un salto quantico di qualità, un gruppo di ricercatori dell'Università del Sussex ha svelato il primo progetto fattibile, secondo loro, per la costruzione di un computer quantistico su larga scala.

Come specificato nel paper pubblicato su Science Advances, il computer quantistico progettato dal team del Sussex sfrutta un nuovo dispositivo da loro creato che consente all'informazione quantistica di passare da un microchip a un altro utilizzando i campi elettrici al posto dei cavi a fibra ottica, consentendo velocità di connessione tra i microchip fino a 100.000 volte superiori a quelle attualmente raggiungibili sfruttando le fibre ottiche.

"Esistono molti studi che hanno prodotto una serie di innovazioni che ci hanno condotto un passo più vicino alla realizzazione del computer quantistico," mi ha spiegato Winfried Hensinger,  capo dell'Ion Quantum Technology Group presso l'Università del Sussex. "Ma noi abbiamo fatto qualcosa di leggermente diverso: abbiamo sviluppato un piano che scende fino nei minimi dettagli per costruire un computer quantistico su larga scala."

In altre parole, il team ha preso una serie di innovazioni distinte nel campo della computazione quantistica e le ha messe insieme per creare un progetto che indichi cosa serve per costruire il primo computer quantistico su larga scala, coprendo ogni aspetto possibile, dalle componenti elettroniche base ai requisiti di alimentazione per la macchina.

Un computer quantistico su larga scala rivoluzionerebbe il mondo dell'informatica grazie alla sua capacità di eseguire calcoli impossibili da risolvere per un computer basato sul sistema binario. Tutto questo grazie al metodo con cui i computer quantistici processano le informazioni — a differenza dei computer classici, che memorizzano le informazioni in bit (1 o 0), un computer quantistico lavora con i qubit, che possono essere assumere valore 0, 1, o una combinazione di questi due stati in contemporanea (una proprietà nota come sovrapposizione). Gli esperti temono che i computer quantistici saranno in grado di rompere facilmente i meccanismi di crittografia più diffusi oggi e si stanno preparando per questa eventualità già da ora.

Esistono diverse ipotesi su come realizzare effettivamente un computer quantistico, ma la più promettente — descritta anche nel progetto del team — è nota come computer quantistico a ione intrappolati. Come suggerisce il nome, questo tipo di computer quantistico interagisce con degli ioni (un atomo o molecola con una carica elettrica) 'intrappolati' in campi elettromagnetici.

Cambiando lo stato di questi ioni — utilizzando le microonde per spostare gli elettroni di un atomo da un livello di energia a un altro — questi possono funzionare agirce come qubit, ovvero gli elementi che trasmettono le informazioni quantistiche. Per creare un computer quantistico, questi qubit devono interagire fra loro venendo spostati fisicamente da un punto all'altro con il laser, oppure emettendo fotoni che vengono poi trasportati attraverso cavi in fibra ottica.

Nel progetto, il computer quantistico è costituito da un insieme di moduli microchip delle dimensioni di una mano, ciascuno dei quali, secondo Hensinger, sarà in grado di intrappolare circa 2.500 ioni. Quando viene applicata l'energia elettrica a questi microchip, questi creano il campo elettrico che intrappola gli ioni e li fa levitare sopra di essi. Tuttavia, piuttosto che fare interagire gli ioni di un microchip con quelli di un altro attraverso meccanismi complessi che coinvolgono laser o cavi di fibre ottiche, Hensinger e i suoi colleghi hanno inventato un dispositivo che utilizza lo stesso campo elettrico per il trasporto degli ioni da un microchip a quello adiacente .

"Stanno cercando di rendere i meccanismi di controllo e della manipolazione dei qubit molto più semplici," ha detto Michele Mosca, un dei co-fondatori dell'Istituto per il Quantum Computing presso l'Università di Waterloo, che non è stato coinvolto nel progetto. "Così, al posto di innumerevoli laser che interagiscono con singoli ioni, utilizzano questo approccio [che coinvolge il campo elettrico]. Si tratta di un lavoro impressionante."

Il dispositivo elaborato dal team del Sussex offre un altro miglioramento chiave: utilizza una tecnologia molto più semplice e conveniente. I laser sono molto efficienti quando si manipola una piccola quantità di ioni, ma un computer quantistico su larga scala che sarebbe in grado, per esempio, di rompere i meccanismi crittografici attuali coinvolgerebbe milioni di ioni. Questo a sua volta richiederebbe milioni di laser, un progetto impraticabile con le tecnologie attuali. In effetti, i ricercatori finora si sono sforzati di realizzare dei dispositivi per intrappolare gli ioni in grado di manipolare ben più di qualche qubit.

La proposta che arriva dal Sussex, d'altra parte, dovrebbe essere realizzabile con le tecnologie attualmente disponibili e in grado di gestire molto più qubit. Hesinger spera che lui e i suoi colleghi possano costruire un piccolo prototipo nel giro di due anni per dimostrare la fattibilità del loro progetto. Il prototipo consisterebbe solo di due microchip, ma se funzionasse, potrebbe essere la base di un computer quantistico su larga scala che manipolerebbe milioni di ioni e occuperebbe uno spazio delle dimensioni di un campo di calcio (con un costo di quasi 113 milioni di euro.)

Nessuno può sapere quanto tempo ci vorrà per realizzare un computer quantistico su larga scala. Proprio come il computer classico non è stato realizzato dall'oggi al domani, il computer quantistico prenderà forma attraverso piccoli step — il punto, secondo Hesinger, è che è giunto il momento di iniziare a costruirlo.

"Non si tratta di qualcosa che possiamo realizzare in una notte, ma il nostro progetto indica cosa è necessario per farlo," ha concluso Hesinger. "Non sarà un'impresa semplice o dai costi bassi, ma penso che ora siamo nella posizione per poter pensare a come realizzare in concreto questa macchina."