Riassunto:
Sebbene i computer quantistici abbiano da tempo un potenziale informatico straordinario, hanno sempre dovuto affrontare sfide nell'archiviazione delle informazioni. Ora, un gruppo di ricerca del Politecnico federale di Zurigo (ETH Zurigo) ha proposto una nuova architettura di calcolo quantistico che memorizza le informazioni provocando vibrazioni meccaniche nelle microstrutture, riducendo significativamente le dimensioni della memoria quantistica e si prevede che getterà le basi per i futuri computer quantistici universali programmabili.
Il nuovo chip quantistico sviluppato dal team di ricerca utilizza un minuscolo componente chiamato "risonatore meccanico". Quando un sistema ha bisogno di preservare l’informazione quantistica, queste strutture iniziano a vibrare a frequenze estremamente elevate e l’informazione viene immagazzinata in questi stati vibrazionali. L'intero chip è lungo circa 7,5 mm, largo 2,5 mm e alto 1 mm e ha solo le dimensioni di una piccola unghia.
Il sistema funziona in modo simile a una chitarra, afferma il responsabile del progetto Yiwen Chu, fisico quantistico dell'ETH di Zurigo. Le corde della chitarra vibrano per produrre note musicali e i nuovi chip quantistici utilizzano vibrazioni meccaniche microscopiche ben oltre la portata dell’udito umano per preservare ed elaborare le informazioni quantistiche. Tuttavia, queste vibrazioni non sono suoni, ma un portatore di stati quantistici.
I computer quantistici superconduttori attualmente tradizionali adottano solitamente un design altamente integrato, con qubit responsabili sia delle attività di calcolo che dell'archiviazione delle informazioni. Sebbene questo metodo abbia una struttura semplice, il tempo impiegato dai qubit per memorizzare le informazioni è relativamente breve e i dati vengono facilmente persi quando si eseguono operazioni complesse e a lungo termine. Per risolvere questo problema, i sistemi esistenti generalmente collegano ulteriori risonatori elettromagnetici da utilizzare come memoria. Questi risonatori sono in grado di preservare temporaneamente gli stati quantistici, consentendo ai qubit di rileggerli quando necessario. Tuttavia, queste strutture spesso si basano su cavità risonanti a microonde e le lunghezze d'onda delle microonde sono spesso nell'ordine dei centimetri, quindi anche le dimensioni dei componenti associati sono grandi.
Per i computer quantistici, che devono funzionare a temperature prossime allo zero assoluto, lo spazio è una risorsa estremamente preziosa. L'intero sistema deve essere collocato in un grande dispositivo di raffreddamento criogenico e l'ingombrante modulo di memoria elettromagnetica limiterà in modo significativo le capacità di espansione del sistema. Il team dell’ETH di Zurigo ha scelto un approccio completamente diverso.
Immagazzinano le informazioni quantistiche non in onde elettromagnetiche sotto forma di fotoni, ma in vibrazioni meccaniche chiamate "fononi". Poiché la velocità di propagazione delle onde sonore nei solidi è molto inferiore alla velocità della luce, anche le lunghezze d'onda corrispondenti sono notevolmente ridotte. Ciò significa che più unità di memorizzazione delle informazioni possono essere ospitate nello stesso spazio. Il gruppo di ricerca ha affermato che questa nuova architettura distingue chiaramente per la prima volta le responsabilità del processore quantistico e della memoria di lavoro quantistica, in modo simile al rapporto tra CPU e RAM nei moderni computer digitali. I qubit superconduttori sono responsabili del calcolo e del controllo, mentre i risonatori meccanici fungono da memoria di lavoro e salvano dati temporanei durante le operazioni.
I ricercatori ritengono che questo design non solo migliori la densità di archiviazione, ma migliori anche l'efficienza dell'organizzazione del sistema. Poiché l’elaborazione e l’archiviazione quantistica sono ripartizionate, ciascun componente può concentrarsi sulle attività che sa svolgere meglio, migliorando così le prestazioni complessive.
Durante l'esperimento, il team ha utilizzato con successo questa architettura per completare operazioni di logica quantistica di base e attività di calcolo quantistico più complesse e ha verificato la fattibilità di questo progetto nei sistemi reali. I ricercatori ritengono che questo segni un passo importante verso sistemi veramente programmabili nell’architettura del calcolo quantistico.
Chu Yiwen ha affermato che una collaborazione efficiente tra processori quantistici e memorie quantistiche è una base importante affinché i futuri computer quantistici siano in grado di risolvere problemi che i computer tradizionali non sono in grado di gestire. Lei ritiene che solo stabilendo un’architettura con una chiara divisione del lavoro simile a quella dei computer moderni i computer quantistici potranno raggiungere uno sviluppo su larga scala.
Attualmente, questo risultato è ancora in fase di ricerca sperimentale ed è ancora lontano dai computer quantistici commerciali. Tuttavia, gli esperti del settore ritengono che, poiché la portata dell’hardware quantistico continua ad espandersi, il modo in cui archiviare e richiamare in modo efficiente le informazioni quantistiche diventerà un fattore importante nel determinare le future capacità di calcolo quantistico. Questa nuova idea di utilizzare le vibrazioni meccaniche per costruire la memoria quantistica potrebbe fornire un percorso tecnico chiave per la prossima generazione di piattaforme di calcolo quantistico.
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