Da sempre, i computer quantistici hanno eccitato il mondo della ricerca informatica (e non solo) per il loro immenso potenziale nella risoluzione di problemi complessi che sarebbero altrimenti impossibili da affrontare anche per i più potenti supercomputer classici. Tuttavia, per realizzare pienamente questo potenziale, sono sempre stati essenziali la ricerca e lo sviluppo di nuove architetture di interconnessione tra i processori quantistici, capaci di garantire una comunicazione efficiente e affidabile tra di essi.
La Sfida delle Interconnessioni Quantistiche
Esattamente come un computer classico, che necessita di singoli componenti interconnessi per funzionare correttamente (CPU, memoria e unità di archiviazione su una scheda madre), anche quello quantistico richiede un sistema di comunicazione tra più processori per elaborare le informazioni in modo efficiente.
Le attuali architetture di interconnessione tra processori quantistici superconduttori si basano su una connettività detta “punto a punto”, un approccio che presenta limiti significativi, infatti, per trasferire informazioni tra i nodi della rete, sono necessari più passaggi intermedi, con un conseguente aumento dei tassi di errore: ma i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno trovato una soluzione. Un nuovo dispositivo di interconnessione in grado di sostenere una comunicazione quantistica scalabile “da tutti a tutti”. Questo approccio innovativo consente a tutti i processori quantistici superconduttori in una rete di comunicare direttamente tra loro, migliorando l’efficienza della computazione quantistica su larga scala.
Un Nuovo Sistema di Comunicazione Quantistica
Il team di ricerca ha creato una rete di due processori quantistici collegati da una guida d’onda (o filo superconduttore) in grado di trasportare fotoni a microonde, le particelle di luce utilizzate per trasmettere informazioni quantistiche. Il sistema permette di inviare e ricevere fotoni su richiesta in una direzione specificata dall’utente.
La guida d’onda funge così da canale di comunicazione tra i processori e può essere scalata per connettere un numero crescente di moduli. Qualsiasi processore quantistico collegato alla guida d’onda può interagire con gli altri, consentendo una trasmissione efficiente delle informazioni all’interno della rete.
Uno degli aspetti più innovativi del progetto è la capacità del sistema di generare entanglement remoto, un fenomeno quantistico in cui due particelle (o, in questo caso, qubit) restano correlate indipendentemente dalla loro distanza fisica, fondamentale per la realizzazione di reti quantistiche su larga scala.
Aziza Almanakly, studentessa laureata in ingegneria elettrica e informatica presso il Research Laboratory of Electronics (RLE) del MIT e autrice principale dello studio, spiega:
“In futuro, un computer quantistico avrà probabilmente bisogno sia di interconnessioni locali che non locali. Le interconnessioni locali sono naturali negli array di qubit superconduttori. Le nostre interconnessioni, invece, consentono connessioni non locali, permettendo di inviare fotoni a frequenze, tempi e direzioni di propagazione diverse. Questo conferisce alla nostra rete maggiore flessibilità e produttività”.
Nella Nuova Interconnessione l’Architettura si fa Scalabile
In uno studio precedente (pubblicato su Nature Physics il 5 gennaio 2023), il team di ricerca aveva sviluppato un sistema di elaborazione quantistica in grado di inviare fotoni contenenti informazioni in entrambe le direzioni lungo una guida d’onda. Ora, questa architettura è stata ulteriormente migliorata connettendo due moduli a una guida d’onda permettendo loro di trasmettere e ricevere fotoni nella direzione desiderata.
Ogni modulo è composto da quattro qubit, che fungono da interfaccia tra la guida d’onda e i processori quantistici più grandi. I qubit accoppiati alla guida d’onda emettono e assorbono fotoni, trasferendo le informazioni ai qubit di dati vicini. Attraverso una serie di impulsi a microonde, i ricercatori possono stimolare un qubit affinché emetta un fotone, che viaggia lungo la guida d’onda fino a essere assorbito da un altro modulo.
“L’invio e la cattura dei fotoni ci consente di creare una ‘interconnessione quantistica’ tra processori quantistici non locali. Con queste interconnessioni, si verifica un entanglement remoto”, afferma William D. Oliver, professore di Ingegneria Elettrica e Informatica al MIT e autore senior dello studio.
Beatriz Yankelevich, coautrice della ricerca, aggiunge: “Generare un entanglement remoto è un passo cruciale verso la costruzione di un processore quantistico su larga scala composto da moduli più piccoli. Anche dopo che il fotone è scomparso, permane una correlazione tra due qubit distanti, permettendo di eseguire operazioni parallele tra loro”.
L’Ottimizzazione dell’Entanglement Remoto
Per generare un entanglement remoto efficace, il team di ricerca ha dovuto sviluppare un protocollo avanzato. Uno degli elementi chiave di questa innovazione è la capacità di “condividere” un fotone tra due moduli, arrestando gli impulsi di emissione a metà della loro durata. In meccanica quantistica, ciò significa che il fotone viene simultaneamente trattenuto ed emesso, creando legame stabile tra i due moduli.
Tuttavia, la trasmissione dei fotoni lungo la guida d’onda presenta delle difficoltà “fisiche”: collegamenti metallici, punti di giunzione e connessioni nel percorso possono distorcere il fotone, riducendo inevitabilmente l’efficienza del suo assorbimento da parte del modulo ricevente. Per ovviare alla presenza di questi ostacoli e massimizzare l’efficienza del processo, il team ha utilizzato un algoritmo di apprendimento di rinforzo per “predistorcere” il fotone, ottimizzandone la forma e garantire così il massimo assorbimento possibile.
“La sfida di questo lavoro è stata quella di modellare il fotone in modo appropriato per massimizzare l’efficienza di assorbimento”, sottolinea Almanakly.
Grazie a questa procedura, il team è riuscito ad arrivare a un’efficienza di assorbimento dei fotoni superiore al 60%, sufficiente per verificare l’effettiva creazione di entanglement remoto.
Obiettivo: una Rete Quantistica Scalabile
Grazie a questa sofisticata architettura, i ricercatori sono ora in grado di creare reti quantistiche con una connettività “all-to-all”, in cui più moduli possono essere collegati lungo lo stesso canale di comunicazione e qualsiasi coppia di moduli può essere “entangled” su richiesta.
Yankelevich conclude: “Possiamo usare questa architettura per creare una rete con connettività all-to-all. Ciò significa che possiamo avere più moduli, tutti lungo lo stesso bus, e possiamo creare un entanglement remoto tra qualsiasi coppia di nostra scelta”.
In futuro, il team intende migliorare ulteriormente il sistema, aumentandone l’efficienza di assorbimento e ottimizzando il percorso di propagazione dei fotoni, magari integrando moduli in configurazioni tridimensionali, velocizzando così il protocollo e, contemporaneamente, riducendo il rischio di accumulo di errori durante il trasferimento delle informazioni.
“In linea di principio, il nostro protocollo di generazione di entanglement remoto può essere esteso anche ad altri tipi di computer quantistici e a sistemi Internet quantistici più grandi”, conclude Almanakly.
Senza Malizia…
Lo studio, pubblicato questo 21 Marzo su Nature Physics, è stato finanziato dall’US Army Research Office, dall’AWS Center for Quantum Computing e dall’US Air Force Office of Scientific Research.
L’esperienza ci insegna che, quando nell’ambito della ricerca tecnologica ci sono di mezzo esercito, lobby delle armi e/o aeronautica militare, il raggiungimento di un risultato scientifico importante e il suo impiego in ambito civile hanno tempistiche diametralmente opposte e, quasi sempre, nel mezzo, il banco di prova ideale sono i campi di battaglia, condizione che porta ogni volta, inevitabilmente, ad una semplice domanda: per quanto eccellente, il risultato ottenuto, a questo prezzo, può essere definito ancora “progresso”?
Felice notte Venerabili
by O. D. B.
Fonti:
https://news.mit.edu/2025/device-enables-direct-communication-among-multiple-quantum-processors-0321
https://news.mit.edu/2023/quantum-interconnects-photon-emission-0105
