Un ulteriore progresso nello sviluppo di un calcolo quantistico affidabile e sostenibile: i ricercatori della Chalmers University of Technology in Svezia hanno sviluppato un amplificatore altamente efficiente che si attiva solo durante la lettura di informazioni dai qubit. Grazie al suo design intelligente, consuma soltanto un decimo dell’energia impiegata dai migliori amplificatori oggi disponibili. Questo riduce la decoerenza dei qubit e pone le basi per computer quantistici più potenti con un numero significativamente maggiore di qubit e prestazioni migliorate.
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Il problema alla base del calcolo quantistico
I computer quantistici possono risolvere problemi straordinariamente complessi, aprendo nuove possibilità in campi come lo sviluppo di farmaci, la crittografia, l’intelligenza artificiale e la logistica. Il problema è che la loro architettura è molto più difficile da gestire rispetto ai calcolatori tradizionali. I bit, che sono i mattoni di un computer convenzionale, possono assumere solo il valore 1 o 0. Al contrario, i mattoni comuni di un computer quantistico, i bit quantistici o qubit, possono esistere simultaneamente in stati aventi valore 1 e 0, così come in tutti gli stati intermedi in qualsiasi combinazione.
Ciò significa che un computer quantistico da 20 qubit può rappresentare simultaneamente oltre un milione di stati diversi. Questo fenomeno, chiamato sovrapposizione, è uno dei motivi principali per cui i computer quantistici possono risolvere problemi eccezionalmente complessi che vanno oltre le capacità dei supercomputer convenzionali di oggi.
Gli amplificatori sono essenziali, ma causano decoerenza
Per poter utilizzare la potenza di calcolo di un computer quantistico, i qubit devono essere misurati e convertiti in informazioni interpretabili. Questo processo richiede amplificatori a microonde estremamente sensibili per garantire che questi deboli segnali vengano rilevati e letti accuratamente. Tuttavia, la lettura delle informazioni quantistiche è un’attività estremamente delicata: anche la minima fluttuazione di temperatura, rumore o interferenza elettromagnetica può causare la perdita di integrità, di stato quantistico, dei qubit, rendendo le informazioni inutilizzabili.
Poiché gli amplificatori generano calore in uscita, causano anche decoerenza. Di conseguenza, gli esperti attivi in questo campo sono sempre alla ricerca di amplificatori di qubit più efficienti. Ora, gli scienziati di Chalmers hanno compiuto un importante passo avanti con il loro nuovo amplificatore ad alta efficienza.
“Questo è l’amplificatore più sensibile che può essere costruito oggi utilizzando transistor. Siamo riusciti a ridurre il suo consumo energetico a solo un decimo di quello richiesto dai migliori amplificatori odierni, senza compromettere le prestazioni. Speriamo e crediamo che questa svolta consentirà una lettura più accurata dei qubit in futuro”, afferma Yin Zeng, uno studente di dottorato in tecnologia delle onde terahertz e millimetriche presso Chalmers e primo autore dello studio pubblicato sulla rivista Ieee Transactions on Microwave Theory and Techniques.
Una svolta fondamentale nell’espansione dei computer quantistici
Questo progresso potrebbe essere significativo nell’espansione dei computer quantistici, consentendo di gestire un numero di qubit significativamente maggiore rispetto a oggi. Chalmers è attivamente impegnata in questo campo da molti anni attraverso un programma di ricerca nazionale, il Wallenberg Centre for Quantum Technology. Con l’aumentare del numero di qubit, aumenta anche la potenza di calcolo del computer e la sua capacità di gestire calcoli altamente complessi. Tuttavia, sistemi quantistici più grandi richiedono anche più amplificatori, con un conseguente maggiore consumo energetico complessivo, che può portare alla decoerenza dei qubit.
“Questo studio offre una soluzione per il futuro ampliamento dei computer quantistici, in cui il calore generato da questi amplificatori di qubit rappresenta un importante fattore limitante”, spiega Jan Grahn, professore di elettronica a microonde presso Chalmers e supervisore principale di Yin Zeng.
Come funziona il nuovo amplificatore
A differenza di altri amplificatori a basso rumore, il nuovo amplificatore sviluppato dai ricercatori di Chalmers funziona a impulsi, il che significa che si attiva solo quando necessario per l’amplificazione dei qubit, anziché rimanere sempre acceso.
“Questa è la prima dimostrazione di amplificatori a semiconduttore a basso rumore per la lettura quantistica in funzionamento pulsato che non influisce sulle prestazioni e con un consumo energetico drasticamente ridotto rispetto allo stato dell’arte attuale”, precisa Jan Grahn.
Poiché le informazioni quantistiche vengono trasmesse a impulsi, una delle sfide principali era garantire che l’amplificatore si attivasse con sufficiente rapidità per tenere il passo con la lettura dei qubit. Il team di Chalmers ha affrontato questo problema progettando un amplificatore intelligente utilizzando un algoritmo che ne migliora il funzionamento. Per convalidare il loro approccio, hanno anche sviluppato una nuova tecnica per misurare il rumore e l’amplificazione di un amplificatore a microonde a basso rumore azionato a impulsi. “Abbiamo utilizzato la programmazione genetica per consentire il controllo intelligente dell’amplificatore”, chiosa Zeng. “Di conseguenza, ha risposto molto più velocemente all’impulso del qubit in arrivo, in soli 35 nanosecondi”.
