Primi passi concreti nell'informatica quantistica

I ricercatori dell'University of Michigan hanno realizzato quello che viene considerato come il primo chip quantistico scalabile, ovvero il primo passo che potrebbe portare allo sviluppo di una nuova generazione di computer quantistici.

Secondo quanto apparso nell'articolo "Ion Trap in a Semiconductor Chip" della pubblicazione Nature Physics dell' 11 Dicembre, pare che utilizzando la stessa tecnologia produttiva impiegata per la realizzazione degli attuali chip per computer i ricercatori sono stati in grado di "intrappolare" un singolo atomo all'interno di un semiconduttore integrato e di controllare lo stesso atomo tramite segnali elettrici.

I computer quantistici sembrano essere una tecnologia piuttosto promettente poiché permetterebbero l'impiego in situazioni dove nemmeno i più moderni supercomputer riescono ad essere pienamente efficaci, grazie alle particolari caratteristiche della meccanica quantistica. Secondo quanto riportato sulla pubblicazione, un computer quantistico sarebbe in grado di processare contemporaneamente più input nel medesimo dispositivo, grazie all'applicazione del principio di "entanglement quantistico". Pur abbracciando una delle massime del premio Nobel per la Fisica Richard Feynman, "Penso si possa tranquillamente affermare che nessuno capisce la meccanica quantistica", cercheremo di spiegare sommariamente cosa è l'entanglement quantistico.

Con questo termine, talvolta indicato anche come "non-separabilità", si indica un particolare fenomeno, esclusivo della fisica quantistica, nel quale lo stato quantico di un insieme di almeno due sistemi fisici dipende dagli stati di ogni singolo sistema appartenente all'insieme. Semplificando di molto il discorso (non è questa la sede per un trattato di fisica quantistica, e non è questo l'autore in grado di poterlo tenere) è possibile, in base al fenomeno dell'entanglement quantisitico, realizzare un sistema costituito da due elementi il cui stato quantico sia tale che indipendentemente dal valore di uno degli elementi, l'altro avrà valore sempre opposto rispetto al primo.

Una delle architetture quantistiche maggiormente favorite per gli impieghi nell'informatica quantistica è quella che prevede l'impiego di singoli atomi per conservare bit quantici (qubits) di informazione, dove ogni qubit può conservare il valore 1, 0 o entrambi simultaneamente. Gli ioni, che sono atomi con carica elettrica, vengono conservati in particolari elementi conosciuti con il nome di "ion traps". Questa pratica è necessaria per poter isolare i qubit e per permettere al sistema di comportarsi secondo le leggi della meccanica quantistica. I ricercatori impegnati nel campo dell'informatica quantistica conoscono le modalità di programmazione di un computer quantistico basato su un certo numero di "trapped-ions", ma la vera sfida è rappresentata di mantenere gli ioni intrappolati nelle rispettive "trappole".

Attualmente le ion trap possono conservare solamente alcuni qubit (o atomi) e non possono essere scalate con semplicità. Queste ion trap molto complesse e realizzate in modo non automatico: un ulteriore ostacolo sulla strada per i computer quantistici è dunque rappresentato dalla difficolta nel realizzare in modo industriale ed automatizzato dei chip in grado di contenere migliaia di ioni.

Christopher Monroe, professore presso l' University of Michigan e coautore del documento, ha dichiarato: "Il chip che abbiamo realizzato è in grado di mantenere un singolo atomo in uno spazio libero all'interno del chip stesso. Siamo stati in grado di fare fluttuare l'atomo nel chip applicando segnali elettrici ai piccoli elettrodi collegati al chip. Questo tipo di ion trap non è mai stata realizzata ad un livello così piccolo e in una struttura integrata".

Il chip ha le dimensioni di un francobollo e, grazie alla realizzazione tramite il convenzionale processo litografico, è provvisto di una serie di elettrodi collegati ciascuno ad un voltage supply che permettono di muovere lo ione nello spazio. Con l'attuale tecnologia normalmente impiegata per la realizzazione dei chip è possibile realizzare un chip quantico sul modello di quello sviluppato dalla University of Michigan e dotato di centinaia di migliaia di elettrodi.

Il prossimo passo è quello di realizzare chip di dimensioni maggiori, con più elettrodi e con la possibilità di conservare un maggior numero di ioni.