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I computer quantistici potrebbero essere costruiti con la tradizionale tecnologia al silicio

I computer quantistici potenzialmente potrebbero rivoluzionare il modo in cui risolviamo i problemi di elaborazione, dalla creazione di un’intelligenza artificiale avanzata alla simulazione di reazioni chimiche al fine di creare la prossima generazione di materiali. Ma in realtà costruire tali macchine è molto difficile perché coinvolgono componenti esotici e devono essere tenuti in ambienti altamente controllati. Quelli che gia abbiamo non possono ancora superare i computer tradizionali.

Un team di ricercatori del Regno Unito e Francia, hanno dimostrato che potrebbe essere possibile costruire un computer quantistico a partire da componenti elettronici tradizionali basati sul silicio. Ciò potrebbe spianare la strada alla produzione su larga scala di computer quantistici molto prima di quanto sarebbe possibile.

Il potere teorico superiore dei computer quantistici deriva dalle leggi della fisica su scala nanometrica o “quantistica”. A differenza dei computer convenzionali, che memorizzano informazioni in bit binari che possono essere “0” o “1”, i computer quantistici usano bit quantici (o qubit) che potrebbero trovarsi in una combinazione di “0” e “1” allo stesso tempo. Questo perché la fisica quantistica consente alle particelle di trovarsi contemporaneamente in stati o luoghi diversi.

computer quantistico
Credito: Amin Van / Shutterstock

Lo sviluppo di computer quantistici è ancora agli inizi e sono disponibili diverse tecnologie hardware senza che una sola ancora domini. I prototipi più avanzati sono attualmente costituiti da alcune decine di ioni intrappolati in una camera a vuoto o da circuiti superconduttori mantenuti a una temperatura di quasi zero assoluto.

La sfida cruciale consiste nel ridimensionare questi piccoli tasselli in grandi sistemi di qubit interconnessi che disporranno di una potenza di calcolo sufficiente per svolgere compiti utili più velocemente dei classici supercomputer. A tal fine, un’altra tecnologia potrebbe risultare più adatta. Sorprendentemente, questa potrebbe essere la stessa tecnologia che oggi interessa la nostra società digitale, il transistor al silicio, l’unità base di informazioni presente in tutti i microprocessori e chip di memoria.

Ci sono due ragioni principali per cui realizzare un computer quantistico con silicio.. Innanzitutto, la miniaturizzazione incessante dei dispositivi al silicio condotta dalla Legge di Moore ha permesso la produzione di transistor con dimensioni di solo poche decine di atomi. Questa è la scala alla quale iniziano ad applicarsi le leggi della fisica quantistica.

Ciò rappresenta un limite fisico che ha bloccato qualsiasi ulteriore miniaturizzazione dei transistor al silicio. Ma ha anche promosso nuovi usi della tecnologia al silicio, nota come elettronica More-than-Moore . Potenzialmente si avrà la possibilità di codificare un bit quantico di informazioni in ciascun transistor al silicio e quindi di usarlo per costruire computer quantistici su larga scala.

Riutilizzando la stessa tecnologia che l’industria dei microchip ha gestito negli ultimi 60 anni, abbiamo anche potuto sfruttare i precedenti investimenti da svariati miliardi di dollari e ridurre i costi. Ciò significa che tutta l’ingegneria e l’elaborazione intelligente che sono andate nello sviluppo della microelettronica moderna potrebbe essere adattata per costruire processori quantistici sempre più potenti.

Chip quantico al silicio

Gli esperimenti recentemente condotti dal team di collaborazione presso l’Università di Cambridge, l’R & D Hitachi, l’University College di Londra e il CEA-LETI in Francia, e pubblicati su Nature Electronics suggeriscono che questo matrimonio tra elettronica convenzionale e elettronica quantistica può essere davvero celebrato. Sono state prese soluzioni ingegneristiche dai circuiti di silicio convenzionali per essere applicate per interconnettere diversi dispositivi quantistici su un chip. Ciò ha portato la realizzazione pratica dei processori quantistici più velocemente.

E’ stato sviluppato un circuito che funziona a temperatura quasi allo zero assoluto che impiega tutti i transistor esistenti in commercio. Alcuni di questi sono così piccoli che possono essere usati come qubit, mentre altri sono leggermente più grandi e possono essere usati per connettersi a diversi qubit. Questa architettura è notevolmente simile a quella utilizzata per la memoria ad accesso casuale (RAM) nei laptop e negli smartphone.

Nell’ultimo mezzo secolo i computer ordinari si sono evoluti da armadi di dimensioni piene di tubi a vuoto a dispositivi portatili basati su microchip. C’è ancora molta strada da fare prima che un computer quantistico a pieno titolo diventi disponibile, ma la storia potrebbe ripetersi. L’attuale progresso della ricerca suggerisce che i processori quantistici iniziali potrebbero essere realizzati prima con una tecnologia esotica. Ma ora che abbiamo imparato che il silicio può essere usato per interconnettere in modo efficiente qubit, il futuro quantistico potrebbe essere fatto di silicio.

UCL Quantum Science and Technology Institute – Video per l’articolo di Schaal e colleghi pubblicato su Nature Electronics lo scorso giugno 2019. Nell’articolo gli autori dimostrano come integrare un circuito di controllo classico con dispositivi a punti quantici; dimostrano la lettura dinamica delle radiofrequenze e mostrano percorsi verso un’architettura di lettura completamente integrata.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. A CMOS dynamic random access architecture for radio-frequency readout of quantum devices,  Simon Schaal, Alessandro Rossi, Virginia N. Ciriano-Tejel, Tsung-Yeh Yang, Sylvain Barraud, John J. L. Morton & M. Fernando Gonzalez-Zalba – Nature Electronics volume 2pages236–242 (2019)
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