L'informatica quantistica fa passi da gigante con la tecnologia avanzata dei superconduttori

Una tecnologia emergente, l'informatica quantistica, utilizza le leggi dei meccanismi quantistici per risolvere problemi complessi che vanno oltre la capacità dei computer tradizionali. 

Questi computer quantistici memorizzano le informazioni in qubit (o bit quantistici). A differenza dei bit classici, questi qubit possono esistere oltre lo stato binario 0 e 1 e, come tali, possono eseguire calcoli molto più rapidamente. 

Inoltre, questi qubit sono disponibili in diverse forme, compresi i qubit con ioni intrappolati, che utilizzano ioni o atomi carichi; qubit fotonici, che utilizzano particelle di luce; e qubit superconduttori, che sono un circuito con una corrente elettrica che viaggia attorno ad essi.

Parte del calcolo quantistico "a stato solido", i qubit superconduttori sono stati dimostrati per la prima volta nel 1999. Da allora, si sono evoluti in una delle forme principali della tecnologia dei qubit, offrendo vantaggi quali ridotta dissipazione di energia, bassa resistenza, diminuzione della decoerenza, circuiti quantistici scalabili, funzionamento dei qubit ad alta velocità, stati dei qubit stabili, controllo dei qubit ad alta fedeltà e correzione degli errori.

Negli ultimi dieci anni, l’informatica quantistica superconduttiva è diventata un’opzione popolare per la costruzione di computer quantistici funzionali, e la ricerca in corso ci sta avvicinando a renderli realtà.

Recenti scoperte nei materiali superconduttori

Proprio questa settimana, un team di ricercatori ha pubblicato uno studio su Science Advances sullo sviluppo di un nuovo materiale superconduttore per l’informatica quantistica.

Il nuovo materiale superconduttore è un candidato per essere definito "superconduttore topologico", ovvero un tipo di materiale che sfrutta una lacuna o lo stato delocalizzato di un elettrone per trasportare informazioni quantistiche ed elaborare dati.

Il fisico Peng Wei dell'Università della California ha guidato un team di ricercatori che hanno combinato il tellurio trigonale, un materiale non magnetico che non può essere sovrapposto sulla sua immagine speculare, con un superconduttore allo stato superficiale generato sulla superficie di una sottile pellicola d'oro.

Questa combinazione ha creato un superconduttore con interfaccia 2D con polarizzazione di spin migliorata, consentendo alle eccitazioni di essere potenzialmente utilizzate per creare un qubit con spin stabile. Questo materiale superconduttore rivoluzionario ha il potenziale per rivoluzionare la scalabilità e l’affidabilità dei componenti del calcolo quantistico. 

“Creando un’interfaccia molto pulita tra il materiale chirale e l’oro, abbiamo sviluppato un superconduttore di interfaccia bidimensionale. Il superconduttore di interfaccia è unico in quanto vive in un ambiente in cui l’energia dello spin è sei volte maggiore rispetto a quella dei superconduttori convenzionali”.

– Wei, professore associato di fisica e astronomia

Sotto un campo magnetico, il materiale è stato ulteriormente visto facendo una transizione, che suggerisce il suo utilizzo come superconduttore tripletto, che potrebbe portare a componenti di calcolo quantistico più robusti. Fondamentalmente è diventato più robusto con un campo magnetico elevato che con un campo magnetico basso. 

Inoltre, utilizzando materiali non magnetici per interfacce più pulite, questa nuova tecnologia sopprime naturalmente anche le fonti di decoerenza, che rappresenta una sfida nell’informatica quantistica.

I ricercatori hanno anche dimostrato il capacità del superconduttore da trasformare in risonatori a microonde di alta qualità a bassa perdita, che sono componenti critici dell’informatica quantistica. Pertanto, ciò può portare a qubit superconduttori a basse perdite. 

Dato che ridurre la decoerenza o la perdita di informazioni quantistiche in un sistema qubit è la sfida più grande nel calcolo quantistico, questa ricerca può aiutare a sviluppare componenti di calcolo quantistico più scalabili e affidabili. Secondo Wei:

“Abbiamo raggiunto questo obiettivo utilizzando materiali che sono un ordine di grandezza più sottili di quelli tipicamente utilizzati nel settore dell’informatica quantistica”.

Questi risonatori a microonde hanno un fattore di qualità che raggiunge 1 milione.

Una settimana prima, un team guidato dall’UCLA aveva pubblicato uno studio che presentava un nuovo materiale promettente per l’informatica quantistica. 

Il materiale ha mantenuto le sue proprietà superconduttrici anche sotto campi magnetici molto più elevati del solito e ha mostrato l’effetto diodo superconduttore. Questo effetto, che consente a più corrente di fluire in una direzione, è tipicamente riscontrato nei superconduttori chirali ed è difficilmente riscontrabile nei superconduttori tradizionali.

Per indurre il comportamento chirale in un superconduttore convenzionale, i ricercatori hanno creato uno strato molecolare chirale e una struttura a strati con materiale 2D disolfuro di tantalio (TaS2).

Questo studio ha mostrato il potenziale per migliorare l’efficienza e la stabilità del calcolo quantistico e rendere l’elettronica convenzionale più veloce ed efficiente dal punto di vista energetico.

Innovazioni nel controllo e nella scalabilità dei Qubit

Dato che i computer quantistici hanno la capacità di “cambiare drasticamente il mondo”, c’è stata una corsa a livello mondiale per costruire un computer quantistico pratico.

Tuttavia, una delle maggiori sfide che ostacolano la crescita dei computer quantistici è la scalabilità, il che significa che computer sufficientemente grandi possono affrontare i problemi della vita reale. Per avere un computer quantistico in grado di affrontare problemi utili, abbiamo bisogno di più qubit o di un modo affidabile per ridurre gli errori introdotti durante i calcoli.

Pertanto, i ricercatori giapponesi hanno iniziato ad affrontare il problema aumentando il numero gestibile di qubit e diminuendo il numero richiesto di qubit.

Un paio di mesi fa, i ricercatori hanno dimostrato con successo un circuito superconduttore in grado di controllare molti qubit a basse temperature.

In questo esperimento, un circuito superconduttore E 'stato mostrato controllare più qubit tramite un unico cavo utilizzando il multiplexing a microonde. Il circuito ha il potenziale per migliorare la densità dei segnali a microonde per cavo di circa 1,000 volte. Questo risultato può aumentare sostanzialmente il numero di qubit controllabili e contribuire allo sviluppo di computer quantistici su larga scala.

Per ridurre l'hardware necessario per interconnettere i qubit e l'elettronica a temperatura ambiente, è stata sviluppata un'innovativa "crioelettronica". La "crioelettronica" è un'elettronica per il controllo e la lettura dei qubit che funziona a temperature criogeniche in prossimità dei qubit. 

È stato anche dimostrato che la crioelettronica funziona a frequenze di clock ad alta velocità a quattro gradi sopra lo zero assoluto. Ora l’attenzione è rivolta alla riduzione del consumo energetico per ridurre al minimo il calore generato accanto ai qubit. 

Ancora un altro obiettivo dei ricercatori giapponesi è trovare modi per correggere gli errori di elaborazione. In questo contesto, i ricercatori dell’Università di Princeton hanno sviluppato una tecnica di fabbricazione per il calcolo quantistico privo di errori.

In questa ricerca, gli scienziati hanno creato uno strato superconduttore sopra un isolante topologico, la ditelluride di tungsteno (WTe2). La tecnica ha utilizzato un "seme" di metallo depositato (palladio) sulla superficie dell'isolante per formare una nuova struttura cristallina, Pd7WTe2, che presentava resistenza nulla.

La tecnica di diffusione degli atomi funziona con successo con una varietà di ingredienti, tra cui il ditelluride di molibdeno (MoTe2).

Sebbene siano necessari ulteriori test per stabilire se si tratti di un superconduttore topologico, i ricercatori ritengono che sia possibile creare nuovi superconduttori attraverso il loro metodo generale.

Affrontare la decoerenza e migliorare le prestazioni

Un’altra svolta nel campo dell’informatica quantistica è avvenuta all’inizio di quest’anno quando i ricercatori hanno introdotto un nuovo approccio ai circuiti superconduttori. Questo approccio ha il potenziale per estendere in modo significativo il tempo di esecuzione di un computer quantistico.

Come abbiamo notato, il funzionamento continuo di un computer di questo tipo viene interrotto a causa della facilità con cui lo stato quantistico di un qubit può essere destabilizzato. Questo si chiama decoerenza e porta a errori nei calcoli. Ciò accade a causa delle interazioni con altri qubit e il loro ambiente.

E poiché i qubit superconduttori consentono il passaggio da uno stato all’altro nel più breve tempo possibile, sono al centro di una crescente ricerca. Ma se da un lato possono migliorare il tempo di commutazione, dall’altro sono anche più suscettibili alla decoerenza in un tempo pari a pochi millisecondi.

Quindi, un gruppo internazionale di ricercatori ha proposto un progetto di giunzione Josephson, chiamato “flowermon”. Questo progetto utilizza due scaglie di cuprato spesse un atomo, un materiale superconduttore a base di rame.

“Il flowermon modernizza la vecchia idea di utilizzare superconduttori non convenzionali per circuiti quantistici protetti e la combina con nuove tecniche di fabbricazione e una nuova comprensione della coerenza dei circuiti superconduttori”.

– Uri Vool, fisico dell’Istituto Max Planck per la fisica chimica dei solidi in Germania

Secondo i calcoli del team, il loro progetto può ridurre il rumore e, di conseguenza, aumentare il tempo di coerenza dei qubit di ordini di grandezza. Tuttavia, si tratta di risultati puramente teorici e il team prevede di utilizzare i risultati per ottimizzare i qubit superconduttori in futuro.

Per migliorare le prestazioni dei computer quantistici, l’anno scorso un team di ricercatori dell’Università del Minnesota Twin Cities ha anche sviluppato un diodo superconduttore sintonizzabile che può non solo aiutare a espandere i computer quantistici, ma anche a migliorare i sistemi di intelligenza artificiale. 

Un diodo è un dispositivo che consente il flusso di corrente in una direzione. Sebbene di solito siano realizzati con semiconduttori, i ricercatori hanno esplorato la possibilità di realizzare diodi con superconduttori, che consentono il trasferimento di energia senza perdere potenza lungo il percorso.

L'autore principale della ricerca Vlad Pribiag, professore associato presso la Facoltà di Fisica e Astronomia, osservato:

“Vogliamo rendere i computer più potenti, ma ci sono alcuni limiti che presto raggiungeremo con i materiali e i metodi di fabbricazione attuali”. 

La sfida più grande per aumentare la potenza di calcolo è dissipare energia, quindi il team ha scelto di utilizzare tecnologie superconduttrici.

Il dispositivo a diodo superconduttore fu costruito utilizzando tre giunzioni Josephson. Sebbene realizzati inserendo pezzi di materiale non superconduttore nel mezzo di superconduttori, i ricercatori hanno collegato i superconduttori con strati di semiconduttori. 

Questo design unico ha permesso ai ricercatori di controllare il comportamento del dispositivo tramite la tensione. Può anche elaborare più segnali elettrici contemporaneamente, a differenza dei normali diodi, che possono gestire solo un ingresso e un'uscita ciascuno. Queste caratteristiche consentono al diodo superconduttore di essere utilizzato anche nel calcolo neuromorfico ispirato al cervello.

Nel calcolo neuromorfico, i circuiti elettrici sono progettati per copiare il modo in cui funzionano i neuroni nel cervello umano per migliorare le prestazioni.

Secondo Mohit Gupta, primo autore dell'articolo, questo nuovo diodo superconduttore è più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ad altri diodi superconduttori. Più specificamente, per la prima volta, è dotato di una serie di gate per controllare il flusso di energia. Questa caratteristica non era mai stata incorporata prima in un diodo superconduttore, ma questo studio ha "dimostrato che è possibile aggiungere gate e applicare campi elettrici per regolare questo effetto". 

Inoltre, il materiale utilizzato in questa ricerca era più adatto al settore e in grado di fornire nuove funzionalità.

La tecnica utilizzata in questo studio può approfondire essere utilizzato con qualsiasi superconduttore, che lo rende altamente flessibile e compatibile con le applicazioni industriali. Queste qualità possono aiutare ad ampliare lo sviluppo di computer quantistici per un uso più ampio.

"Al momento, tutti i computer quantistici disponibili sono molto basilari rispetto alle esigenze delle applicazioni del mondo reale. È necessario espandersi per avere un computer sufficientemente potente da affrontare problemi utili e complessi."

– Pribiag

Questo riveste un significato speciale oggi poiché l’utilizzo dell’intelligenza artificiale cresce sostanzialmente. Questo ha portato gli studiosi a ricercare algoritmi per computer o macchine di intelligenza artificiale in grado di superare le prestazioni dei computer classici. Questo studio, ha osservato Pribiag, sta sviluppando l'hardware che consentirà ai computer quantistici di implementare questi algoritmi. 

La ricerca è stata finanziata principalmente dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti con il supporto parziale della National Science Foundation e di Microsoft Research.

Riduzione dei qubit con materiali 2D senza influire sulle prestazioni

La continua ricerca e sviluppo ha portato gli scienziati a costruire qubit superconduttori che sono molto più piccoli dei normali qubit. Questi qubit superconduttori sono stati costruiti utilizzando materiali 2D.

Per superare la velocità e la capacità dei computer classici, i qubit dei computer quantistici devono essere sulla stessa lunghezza d'onda. Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori devono solitamente sacrificare le dimensioni di questi qubit, che ancora oggi si misurano in millimetri, a differenza delle loro controparti classiche, i cui transistor si sono ridotti a nanometri.

Per ridurre le dimensioni dei qubit in modo che non abbiano un grande ingombro fisico, pur mantenendo le loro prestazioni, James Hone, professore di ingegneria meccanica presso la Columbia University, ha presentato un condensatore qubit superconduttore davvero piccolo.

In precedenza, gli ingegneri utilizzavano condensatori planari per costruire chip qubit. Ecco, piatti caricati sono fianco a fianco e mentre possono essere impilati per risparmiare spazio, ciò interferirebbe con la memorizzazione delle informazioni sui qubit.

Così, gli studenti di dottorato di Hone, Anjaly Rajendra e Abhinandan Antony, hanno inserito uno strato isolante di nitruro di boro tra due piastre cariche di diseleniuro di niobio superconduttore. Spessi appena un atomo, questi strati sono tenuti insieme dalle forze di van der Waals, una debole interazione tra forze elettrostatiche. 

I condensatori sono stati poi combinati con circuiti in alluminio per creare un chip. Questo chip aveva due qubit ed era spesso solo 35 nanometri, 1,000 volte più piccolo di quelli prodotti utilizzando approcci convenzionali.

Una volta raffreddati, i qubit hanno ottenuto la stessa lunghezza d'onda. È stato anche osservato che si impigliano e agiscono come una singola unità. Questa coerenza quantistica, sebbene solo di breve durata (poco più di un microsecondo), significa che lo stato quantistico del qubit può essere manipolato e letto tramite impulsi elettrici. Secondo Hone:

“Ora sappiamo che i materiali 2D potrebbero rappresentare la chiave per rendere possibili i computer quantistici. Siamo ancora agli inizi, ma scoperte come queste stimoleranno i ricercatori di tutto il mondo a prendere in considerazione nuove applicazioni dei materiali 2D. Speriamo di vedere molto più lavoro in questa direzione andando avanti. "

Grazie alla loro struttura unica, i materiali quantistici bidimensionali (2D) hanno segnato una svolta significativa nella scienza dei materiali. A differenza dei materiali 3D, i materiali quantistici 2D hanno uno spessore di uno o pochi atomi e gli elettroni possono muoversi in tutte e tre le direzioni.

Alcuni materiali 2D popolari includono silicene, grafene, germanene, stanene, fosforene, dicalcogenidi di metalli di transizione (TMDC) e nitruro di boro esagonale (h-BN).

Sebbene questi materiali offrano proprietà diverse e potenziale per applicazioni tecnologiche trasformative, devono affrontare sfide in termini di sintesi, integrazione e scalabilità che devono essere affrontate essere superato prima il loro pieno potenziale può essere realizzato.

Aziende chiave alla guida della rivoluzione dell'informatica quantistica

Diamo ora un'occhiata ad alcune importanti aziende che si occupano di superconduttori e computer quantistici:

#1. Alfabeto (Google)

Alfabeto è fortemente investito nella ricerca sull'informatica quantistica attraverso la sua controllata Google Quantum AI. La divisione ha creato un processore quantistico superconduttore chiamato Sycamore, che, nel 2019, è stato in grado di completare un calcolo in 200 secondi che altrimenti avrebbe richiesto 10,000 anni anche per un potente supercomputer. Da allora, il processore quantistico Sycamore è cresciuto notevolmente e ora contiene 70 qubit, rendendolo 241 milioni di volte più robusto rispetto al modello precedente.

Il colosso della tecnologia ha una capitalizzazione di mercato di 2.06 trilioni di dollari e le sue azioni (GOOGL:NASDAQ) viene scambiato a $ 165.68, in rialzo del 18.56% da inizio anno. Per il secondo trimestre del 2, Alphabet ha registrato un aumento del 2024% del suo utile netto a 28.6 miliardi di dollari, mentre i ricavi totali sono cresciuti del 23.6% a 14 miliardi di dollari. La società madre di Google ha inoltre annunciato un dividendo in contanti di 84.74 dollari per azione.

#2. NVIDIA Corporation

NVIDIA ha esplorato l'informatica quantistica e i superconduttori attraverso partnership e collaborazioni. Nel marzo di quest'anno, l'azienda ha annunciato l'accelerazione delle proprie attività di calcolo quantistico nei siti nazionali di supercalcolo in Germania, Giappone e Polonia con la piattaforma open source NVIDIA CUDA-Q™.

Beniamina del mercato per l'intelligenza artificiale, le azioni NVIDIA hanno registrato un ottimo andamento quest'anno, come dimostra il loro rialzo del 161.24% registrato finora nel 2024. Questo rialzo ha portato le azioni NVDA a quota 129.45 dollari, portando la capitalizzazione di mercato dell'azienda a 3.188 miliardi di dollari. Il produttore di chip ha registrato un primo trimestre record del 1, con un fatturato di 2024 miliardi di dollari.

Conclusione

Pertanto, ricercatori, organizzazioni e aziende di tutto il mondo stanno lavorando per far progredire l'informatica quantistica, che eccelle nella risoluzione di problemi complessi. L'attenzione rivolta alla tecnologia dei superconduttori, in particolare, sta contribuendo a promuovere progressi significativi e ad avvicinarci alla realizzazione del pieno potenziale di questa tecnologia rivoluzionaria. 

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