Gli esperti della Cornell University prevedono di rendere la quantistica pratica

La realtà, almeno come la conosciamo, è solo così profonda. Guarda abbastanza da vicino qualsiasi oggetto, fino al livello delle molecole e degli atomi, e il mondo inizia a giocare secondo le proprie regole. Questo è il regno della fisica quantistica: dove le onde di energia e le particelle sono la stessa cosa e strani fenomeni come il teletrasporto sono la norma. Questi tratti enigmatici potrebbero essere la chiave per nuovi computer e componenti elettronici rivoluzionari. Invece di utilizzare transistor al silicio, come un computer tradizionale o un circuito integrato, i dispositivi quantistici si affidano alle particelle subatomiche come mezzo per instradare ed elaborare le informazioni, rendendoli più veloci e più potenti di qualsiasi altro hardware elettronico che possiamo attualmente immaginare. Tre nuovi docenti della Scuola di ingegneria elettrica e informatica della Cornell stanno lavorando per rendere i dispositivi quantistici pratici e scalabili. L'assistente professore Karan Mehta, insieme all'assistente professore Mohamed Ibrahim e al professore associato Mark Wilde, stanno andando ben oltre la fisica applicata nel loro lavoro, incorporando elementi di progettazione di circuiti, fotonica, architettura dei sistemi, teoria dell'informazione e altri campi per rendere i computer quantistici una realtà Intrappolare gli ioniMehta, ad esempio, studia un elemento fondamentale dei computer quantistici: un componente specializzato chiamato "qubit di ioni intrappolati". È essenzialmente un singolo atomo sospeso nel vuoto da campi elettrici e controllato con laser. Utilizzando questi laser per manipolare la rotazione e la carica degli atomi, è possibile "programmarli" per eseguire semplici algoritmi. Come con qualsiasi componente elettronico, tuttavia, questi qubit hanno pro e contro, osserva Mehta. Un vantaggio è che ogni ione è sospeso nello spazio e isolato dagli altri atomi, il che significa che è esposto a pochissime interferenze o rumori. Ma controllare questi qubit è complicato e, man mano che i sistemi diventano sempre più grandi, altre fonti di rumore possono insinuarsi nel sistema, impedendone il corretto funzionamento. Eliminare quel rumore è una parte fondamentale della costruzione di un computer quantistico utile, che richiederebbe migliaia o addirittura milioni di qubit." Quando si hanno un gran numero di qubit ionici in un sistema, controllandoli con milioni di raggi laser che si muovono liberamente lo spazio diventa molto difficile", dice Mehta. "Ogni volta che si aggiungono più qubit al sistema, la complessità dell'apparato di controllo introdurrà più potenziali errori e rumore." Nell'informatica quantistica, quel rumore può confondere l'output di una macchina. Quando compaiono piccole vibrazioni, calore o qualsiasi altra cosa che perturba casualmente uno ione intrappolato, i qubit perdono un tratto critico chiamato sovrapposizione, un fenomeno in cui gli elettroni esistono in più stati contemporaneamente, consentendo ai programmatori di eseguire diverse iterazioni di un problema contemporaneamente. Se è presente del rumore, tuttavia, la sovrapposizione collasserà prematuramente, creando errori nel calcolo. Mehta sta cercando di aggirare questa limitazione utilizzando dispositivi a stato solido per manipolare e rilevare lo stato di ciascun qubit. Pensa che l’uso di impulsi di luce inviati ai qubit e raccolti in dispositivi di controllo basati su chip basati su fibra ottica potrebbe essere la chiave per sistemi quantistici puliti e a basso rumore. Tali sistemi potrebbero consentire sistemi su larga scala e anche ridurre significativamente il rumore in eccesso, rendendo i qubit più stabili. "Dal punto di vista ingegneristico, questo può affrontare l'elefante nella stanza, ovvero la sfida di controllare questi sistemi quantistici altrimenti incontaminati", afferma. "L'idea è quella di sfruttare i vantaggi fondamentali di sistemi quantistici estremamente puliti e a basso rumore, insieme a hardware scalabile." Sistemi quantistici su chipIbrahim è d'accordo con questa valutazione. Sta lavorando su sistemi quantistici scalabili su scala chip nel suo laboratorio utilizzando i circuiti integrati (IC) avanzati e minuscoli di oggi. Ibrahim sta sviluppando sensori quantistici integrati utilizzando una forma specializzata di cristalli di diamante. Invece del carbonio puro, questi diamanti sono seminati con atomi di azoto. Quando accoppiato con un sito vacante, ogni atomo di azoto introduce un centro di azoto vacante (NV) con nuove proprietà uniche. Esponendo questi cristalli a una crescente ondata di energia a microonde e impulsi di luce verde, dice, iniziano a brillare di rosso fluorescente con intensità a seconda degli stati di spin degli elettroni dei centri NV - e registrando le frequenze esatte alle quali si verifica un calo nell'intensità della fluorescenza, Ibrahim può monitorare la temperatura e misurare l'intensità dei campi magnetici ed elettrici che circondano il sensore. Si tratta di una proprietà ben nota, Ibrahim sta lavorando per combinare tutti gli elementi coinvolti in un unico dispositivo miniaturizzato su scala chip, inclusa una sorgente radio a microonde su chip e circuiti di rilevamento della luce rossa. Questi sono integrati con un reticolo cristallino di diamante e un emettitore laser verde. Circuiti integrati come questi, dice, potrebbero avere tutti i tipi di applicazioni diverse, dalla navigazione globale al rilevamento di segnali bioelettrici nel cuore e nel cervello - ma Ibrahim dice che è anche interessati a costruire controller integrati per computer quantistici, dove potrebbero aiutare a risolvere un annoso problema. "I qubit devono essere conservati in un frigorifero criogenico. Per inviare segnali tra quegli ambienti ultra-freddi e i computer classici che controllano il qubit, attualmente utilizziamo cavi, che limitano la scalabilità a migliaia di qubit", afferma. Utilizzando i circuiti integrati criogenici come intermediari, operanti a pochi Kelvin, potrebbe essere possibile costruire controller multi-qubit in grado di scalare un numero maggiore di qubit in modo molto più efficiente." Tuttavia, dobbiamo ancora comunicare con la temperatura fredda intermedia, che viene attualmente realizzato utilizzando cavi coassiali conduttivi. Poiché questi cavi sono anche termicamente conduttivi, possiamo effettivamente perdere energia lungo di essi nell'ordine di pochi milliwatt," afferma. Ibrahim sta lavorando su ricetrasmettitori efficienti in grado di risolvere questo problema utilizzando la comunicazione wireless oppure cavi con conducibilità termica molto bassa, come le fibre ottiche. L'utilizzo di circuiti integrati per sviluppare nuove architetture per interfacciare o controllare direttamente i qubit renderebbe possibile aumentarne il numero, aprendo l'era dei computer quantistici su larga scala. Programmazione dei qubitNon importa quanto robusto o efficiente possiamo realizzare un computer quantistico, tuttavia, noi Non andremo molto lontano se non scopriamo i modi più efficaci per usarlo – un'area che Wilde sta studiando attivamente. Mentre i suoi colleghi della Scuola di Ingegneria Elettrica e Informatica stanno sviluppando nuovo hardware e software per trasformare questi dispositivi in ​​realtà, Wilde sta rivolgendo la sua attenzione alla teoria dell'informazione quantistica, o ai complessi algoritmi utilizzati per elaborare le informazioni all'interno di quel dispositivo. afferma che i computer quantistici sono molto meno semplici dei classici dispositivi al silicio. Un computer classico con due bit, ciascuno dei quali assume valori zero e uno, può generare quattro diverse combinazioni di quei numeri (00, 01, 10 e 11), ma può calcolarne solo uno alla volta. Un computer quantistico, d'altro canto, può esplorare tutte e quattro le possibili risposte contemporaneamente e, di conseguenza, richiede metodi di programmazione completamente nuovi. ; per eliminarli dal calcolo come potare un albero, e poi amplificare i percorsi che porteranno a una soluzione corretta quando alla fine la misurerai," dice Wilde. Poiché il rumore nel sistema quantistico introdurrà errori durante il processo di potatura, Wilde è lavorando su modi per correggere questi casi e garantire che i problemi tecnici non distorcano l'output del computer. Una tecnica, osserva, è quella di rendere gli algoritmi quantistici il più efficienti possibile, riducendo la quantità di tempo che impiegano per essere eseguiti e limitando le possibilità dei qubit di essere danneggiati dal rumore durante il calcolo. Anche se sta lavorando a nuovi modi per costruire robusti algoritmi quantistici. algoritmi quantistici, il lavoro di Wilde non è interamente focalizzato su soluzioni pratiche. Sta anche cercando di rispondere agli enigmi con un'inclinazione più filosofica. "Voglio capire i limiti ultimi della comunicazione", dice. "In ogni attività di comunicazione, dovrai eseguire qualche tipo di calcolo su entrambe le estremità, e in ogni attività di calcolo, dovrai comunicare tra qubit all'interno del computer, quindi calcolo e comunicazione sono inevitabilmente intrecciati, e non potrai mai separarli." Tenendo presente ciò, si chiede, quali sono i limiti fisici di tali processi? E fino a che punto possiamo spingerli? Queste domande non sono solo esperimenti mentali astratti; sono il pane quotidiano del lavoro che Wilde e i suoi colleghi stanno attualmente svolgendo. Col tempo, la ricerca interdisciplinare che esce dai loro laboratori potrebbe rivoluzionare l’informatica e l’ingegneria elettrica nel loro complesso, aprendo una gamma infinita di nuove possibilità basate sulla fisica quantistica.