La Rivoluzione della Computazione Quantistica
La computazione quantistica è sicuramente uno dei settori più promettenti, e allo stesso tempo ricco di sfide, della scienza moderna del terzo millennio, in grado, potenzialmente, di rivoluzionare settori come la crittografia, la simulazione di sistemi complessi e l’ottimizzazione. E, se non il cuore, i “battiti” di questa tecnologia sono i qubit: unità fondamentali di informazione quantistica che possono rappresentare contemporaneamente gli stati 0 e 1 grazie al fenomeno della sovrapposizione quantistica. Recentemente, un team di ricercatori dell’Istituto Federale Svizzero di Tecnologia di Zurigo (ETHZ) guidato dal prof. Yiwen Chu ha compiuto un passo epocale nel campo, sviluppando il primo qubit meccanico. Questa innovazione, descritta in una pubblicazione sul Science di novembre, apre nuove e allettanti prospettive per la computazione quantistica e la sensoristica avanzata.
Qubit: Il Fondamento della Computazione Quantistica
I qubit sono l’equivalente quantistico dei bit classici utilizzati nei computer tradizionali ma, mentre i bit convenzionali possono assumere un valore di 0 o 1, i qubit possono esistere in stati di sovrapposizione, combinando entrambi i valori con diverse probabilità. Questo fenomeno consente ai computer quantistici di eseguire calcoli paralleli su una scala esponenziale, affrontando problemi “impossibili” per i computer classici.
Ad oggi, la maggior parte dei qubit si basa su stati elettronici, come quelli creati da circuiti superconduttori, singoli ioni intrappolati o fotoni. Tuttavia, queste tecnologie hanno limiti intrinseci significativi, tra cui tempi di coerenza ridotti, ossia il periodo durante il quale un qubit riesce a mantenere il proprio stato quantistico senza subire interferenze. La ricerca di nuove architetture quantistiche, capaci di migliorare stabilità e prestazioni, ha portato il team dell’ETHZ a esplorare il potenziale dei qubit meccanici.
La Nascita del Qubit Meccanico e le Nuove Sfide Tecnologiche
Il primo qubit meccanico funzionante è il risultato del lavoro del dottorando Yu Yang, punta di diamante del team guidato da Yiwen Chu. Questa innovazione si basa su un sistema che utilizza stati vibratori per rappresentare l’informazione quantistica. In pratica, il qubit meccanico può essere immaginato come la pelle tesa di un tamburo: un tamburo microscopico in grado di vibrare e non vibrare…contemporaneamente: una sorta di manifestazione del paradosso del gatto di Schrödinger.
La creazione di un qubit meccanico ha comportato il superamento di ostacoli tecnici significativi ma, al contempo, ha fatto emergere una delle sue maggiori limitazioni: vale a dire la natura armonica dei suoi livelli energetici. Nei qubit elettromagnetici, i livelli energetici sono disposti in modo disomogeneo, facilitando così l’isolamento e il controllo dei due stati specifici necessari per rappresentare 0 e 1. Al contrario, i risonatori meccanici hanno livelli energetici equidistanti, rendendo complicata la manipolazione selettiva.
Il team dell’ETHZ ha risolto questo problema creando un sistema ibrido in cui il qubit superconduttore induce “un’anarmonicità” nei livelli energetici del risonatore meccanico. Questo ha permesso di isolare i due stati quantistici più bassi e utilizzarli come stati 0 e 1 del qubit meccanico.
“La sfida principale è stata trovare una condizione operativa ottimale in cui indurre un’anarmonicità sufficientemente forte mantenendo comunque la modalità meccanica”, spiega Igor Kladarić, dottorando dell’ETHZ e membro del team di ricerca.
Per costruire il dispositivo, fino ad oggi ritenuto impossibile dai più, Yang e i suoi collabotatori hanno utilizzato un disco piezoelettrico di nitruro di alluminio montato su una base di zaffiro. Questa struttura è risultata in grado di generare vibrazioni quantizzate, note come fononi, in risposta alle tensioni applicate. Ma la chiave di volta, appunto, è stata l’integrazione del qubit superconduttore anarmonico, montato su un secondo chip di zaffiro e accoppiato al risonatore meccanico tramite un’antenna.
Grazie anche a nuove tecniche avanzate di fabbricazione, che hanno migliorato la qualità complessiva, il neonato qubit meccanico ha ottenuto il raggiungimento di un tempo di coerenza di circa 200 microsecondi, decisamente superiore ai 100 microsecondi tradizionali dei qubit superconduttori.
Applicazioni e Prospettive Future
Il qubit meccanico rappresenta un passo fondamentale verso lo sviluppo di nuovi tipi di computer quantistici e sensori avanzati. Sebbene il dispositivo attuale abbia una “fedeltà” (una misura di quanto accuratamente gli sperimentatori possano impostare lo stato desiderato) del 60%, ancora lontana dal 99% dei migliori qubit superconduttori, esso offre, potenzialmente, vantaggi unici che potrebbero renderlo indispensabile in alcuni contesti chiave.
1. Computazione Quantistica Complessa:
il tempo di coerenza più lungo dei qubit meccanici potrebbe consentire l’esecuzione di algoritmi quantistici più complessi e prolungati. Inoltre, la natura meccanica del dispositivo potrebbe renderlo più robusto alle interferenze ambientali rispetto ai qubit elettromagnetici.
2. Sensoristica Quantistica:
una delle applicazioni più promettenti dei qubit meccanici è nella sensoristica quantistica.
Stephan Dürr, fisico quantistico presso il Max Planck Institute for Quantum Optics, sottolinea come, grazie alla loro sensibilità estrema alle forze meccaniche, questi dispositivi potrebbero essere utilizzati per rilevare fenomeni fisici a frequenze gigahertz, come le onde gravitazionali ad alta frequenza e chissà quant’altro.
Ma Non Finisce Qui…
Il team dell’ETHZ è già al lavoro per migliorare le prestazioni del qubit meccanico. Yang e i suoi colleghi stanno sperimentando nuovi materiali e design per incrementare ulteriormente il tempo di coerenza e la fedeltà del dispositivo. Inoltre, Kladarić sta sviluppando un sistema a due qubit meccanici, con l’obiettivo di eseguire le prime porte logiche quantistiche (switch fisici) basate su vibrazioni meccaniche.
“È un progresso in linea di principio…” commenta Adrian Bachtold dell’Institute of Photonic Sciences, che sottolinea come il qubit meccanico rappresenti una piattaforma completamente nuova per la ricerca quantistica. Nonostante le complesse sfide tecniche, questa scoperta segna l’inizio di una nuova era per la computazione e la sensoristica quantistica.
La creazione del primo qubit meccanico è da considerarsi davvero una pietra miliare nella scienza quantistica. Non solo dimostra la reale possibilità di utilizzare sistemi meccanici per rappresentare e manipolare stati quantistici, ma apre anche la strada a nuove possibili applicazioni che potrebbero, non solo, rivoluzionare la tecnologia ma, soprattutto, ampliare enormemente la nostra comprensione dell’universo.
Chissà…forse, un giorno, potremo capire l’infinito non più scrutando dalla toppa ma, bensì, aprendone la porta con la giusta chiave.
By O.D.B.
FONTI:
https://www.science.org/content/article/first-mechanical-qubit-quantum-computing-goes-steampunk
