Costruire la Prossima Generazione di Computer con Emittori Quantistici e Laser a Infrarossi

La storia dei computer è intrecciata con la storia della tecnologia moderna. Tutto iniziò nel XIX secolo, quando, nel 1801, un mercante e inventore francese, Marie Jacquard, inventò un telaio con schede di legno perforate per tessere automaticamente disegni di tessuti.

Tuttavia, il progresso più significativo nell’informatica automatizzata di quel secolo si verificò quando il matematico inglese Charles Babbage ideò una macchina calcolatrice a vapore capace di calcolare tabelle di numeri. L’invenzione più rivoluzionaria del XX secolo arrivò nel 1936 da Alan Turing, scienziato e matematico britannico, che introdusse una macchina universale, successivamente chiamata Macchina di Turing. Gli scienziati affermano che il concetto dei moderni computer si basa fondamentalmente sulle idee di Alan Turing.

Da allora è stata una catena di progressi. Nel 1939, David Packard e Bill Hewlett fondarono la Hewlett Packard Company e nel 1953 Grace Hopper sviluppò il primo linguaggio di programmazione per computer, COBOL, seguita da John Backus e il suo team di programmatori di IBM che pubblicarono un documento descrivendo il loro appena creato linguaggio di programmazione FORTRAN.

Il flusso di invenzioni che arricchiscono la tecnologia informatica nel corso degli anni si è concentrato su molteplici aspetti. Talvolta è stato lo sviluppo di un linguaggio o software rivoluzionario e, altre volte, hardware cruciale. Tali invenzioni continuano a verificarsi, contribuendo a costruire la prossima generazione di computer, qualcosa di veramente ‘futuristico’, nel senso più autentico del termine.

Nei segmenti seguenti, esamineremo due di queste invenzioni che coinvolgono Emittori Quantistici e Laser a Infrarossi. 

Verso una Grande Scoperta: Un Computer Quantistico Scalabile

Il risultato proviene da un team di ricercatori guidato dal Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). I ricercatori affermano di essere riusciti nel loro tentativo di utilizzare uno strato femtosecondo per creare e ‘annullare’ i qubit drogando il silicio con idrogeno. Hanno sottolineato che potevano eseguire questa operazione su richiesta e con precisione. 

Ma, per poter comprendere appieno l’importanza della ricerca, dobbiamo sapere cosa sono i qubit e perché sono importanti!

La Necessità di Collegare Miliardi di Qubit

I computer quantistici potrebbero rivelarsi rivoluzionari nella loro capacità di risolvere problemi un milione di volte più velocemente rispetto ai supercomputer più avanzati attualmente disponibili. Queste macchine hanno il potenziale di introdurre scoperte rivoluzionarie in settori come la sanità, la farmaceutica e l’intelligenza artificiale. Ma per realizzare tutto ciò, l’industria dovrà trovare un modo per collegare miliardi di qubit o bit quantistici, portando allo sviluppo definitivo di una rete altamente efficiente di computer quantistici.

La ricerca ha ora mostrato un modo per potenziare i computer quantistici utilizzando qubit ottici programmabili o ‘qubit spin-foto’ che possono collegare nodi quantistici attraverso una rete remota. 

Mentre spiegava l’importanza della ricerca e i risultati ottenuti, Kaushalya Jhuria, ricercatrice post-dottorato nella Divisione Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) del Berkeley Lab, ha osservato:

“Per creare un’architettura o una rete quantistica scalabile, abbiamo bisogno di qubit che possano formarsi in modo affidabile su richiesta, nei luoghi desiderati, così da sapere dove il qubit è situato in un materiale. Ed è per questo che il nostro approccio è critico. Perché una volta che sappiamo dove si trova un qubit specifico, possiamo determinare come collegare questo qubit con altri componenti del sistema e creare una rete quantistica.”

Ma come raggiunge la ricerca questo obiettivo? Lo fa formando qubit nel silicio con controllo programmabile. 

La Storia dei ‘Centri di Colore’ del Silicio e dei ‘Qubit Spin-Foto’

Con il supporto dell’Ufficio della Scienza del DOE, lo studio ha utilizzato un ambiente gassoso per creare difetti programmabili noti come “centri di colore” nel silicio. Questi centri di colore sono candidati per i “qubit spin-foto” o qubit di telecomunicazione speciali.

Il qubit è l’unità di base dell’informazione quantistica. Questa più piccola componente di un sistema di informazione quantistica codifica dati in 1, 0 o tutto ciò che sta tra loro, noto come sovrapposizione. I qubit spin-foto, nel frattempo, emettono fotoni con la capacità di trasportare informazioni codificate nello spin elettronico su grandi distanze.

Ora, per formare questi qubit speciali che possono supportare una rete quantistica sicura con precisione, lo studio ha utilizzato un laser ultraveloce capace di emettere impulsi di energia in pochi femtosecondi — ogni impulso breve come un quadrilionesimo di secondo, mirato a un’area non più grande di una particella di polvere.

Analizzando i segnali ottici (fotoluminescenza) dei centri di colore risultanti con un rivelatore nel vicino infrarosso al fine di caratterizzarli, il team ha trovato un centro Ci, che è un emettitore quantistico. Il centro Ci ha una struttura semplice e proprietà di spin promettenti, ed è stabile a temperatura ambiente, rendendolo un candidato piuttosto impressionante per i qubit spin-foto che emettono fotoni nella banda telecom o di frequenza. Secondo Jhuria:

“Sapevamo dalla letteratura che il Ci può essere formato nel silicio, ma non ci aspettavamo di creare realmente questo nuovo candidato qubit spin-foto con il nostro approccio.”

Interessante, aumentando l’intensità del laser femtosecondo durante la lavorazione del silicio in presenza di idrogeno si può anche aumentare la mobilità dell’idrogeno. Questo, a sua volta, passiva i centri di colore indesiderati lasciando intatto il reticolo del silicio.

Un’analisi teorica ha confermato anche le osservazioni sperimentali secondo cui la luminosità del centro di colore Ci può essere notevolmente aumentata in presenza di idrogeno. Come spiegato da Jhuria, gli impulsi laser non solo espellono ma riportano anche gli atomi di idrogeno, “consentendo la formazione programmabile di qubit ottici desiderati in posizioni precise.” 

Realizzare in modo affidabile i centri di colore è solo l’inizio; ora il team vuole far comunicare diversi qubit tra loro e vedere quali offrono le migliori prestazioni. 

“La capacità di formare qubit in posizioni programmabili in un materiale come il silicio, disponibile su larga scala, è un passo entusiasmante verso una rete quantistica e un calcolo pratici.”

– Cameron Geddes, Direttore della Divisione ATAP

La tecnica sarà successivamente utilizzata per incorporare qubit ottici in dispositivi quantistici come guide d’onda e per trovare nuovi candidati qubit spin-foto con proprietà ottimizzate per applicazioni selezionate.

Nuovi Approcci per Realizzare il Calcolo Quantistico: Lavorare con le Molecole

Il campo del calcolo quantistico ha guadagnato notevole trazione negli anni, con i ricercatori costantemente impegnati a trovare nuove tecniche per realizzarlo. La manipolazione di molecole organiche è un settore studiato per il suo potenziale impiego nel calcolo quantistico. 

Il team dell’Università di Graz ha investigato come stimolare molecole competenti usando impulsi di luce infrarossa per creare piccoli campi magnetici. Se questa tecnica fosse ulteriormente sviluppata con successo negli esperimenti, potrebbe essere utilizzata nei circuiti dei computer quantistici.

Ciò avviene perché la manipolazione selettiva della luce infrarossa rende possibile controllare la direzione e l’intensità del campo magnetico. Questo trasforma le molecole in interruttori ottici ad alta precisione, che possono poi essere usati per costruire circuiti per un computer quantistico, secondo Andreas Hauser dell’Istituto di Fisica Sperimentale dell’Università di Graz.

Mentre le interazioni tra vibrazioni molecolari e magnetismo di spin sono ben documentate nella spettroscopia a microonde, questo studio propone metodi per eccitare attivamente vibrazioni molecolari che generano un campo magnetico in posizioni mirate.

Stimolare le Molecole con Laser a Infrarossi per Formare Campi Magnetici

Quando irradiate con luce infrarossa, le molecole iniziano a vibrare a causa dell’apporto di energia. Utilizzando questo fenomeno come punto di partenza, i fisici hanno iniziato a indagare se queste vibrazioni potessero effettivamente essere usate per generare campi magnetici.

Per i loro calcoli, Hauser e il suo team hanno usato le ftalocianine metalliche come esempio. Il team ha scoperto che, grazie all’alta simmetria di queste molecole aromatiche planari a forma di anello, esse generano piccoli campi magnetici nell’intervallo nanometrico (< 1 nm) quando esposte a impulsi infrarossi. Sulla base di ciò, dovrebbe essere possibile misurare l’intensità del campo, basso ma precisamente localizzato, tramite spettroscopia di risonanza magnetica nucleare.

Oltre a basarsi sul lavoro dei primi giorni della spettroscopia laser, il team ha anche impiegato la moderna teoria della struttura elettronica su supercomputer per calcolare come le molecole ftalocianina macrocicliche si comportano quando esposte alla luce tramite luce infrarossa polarizzata circolarmente.

Il team ha scoperto che le onde di luce polarizzata circolarmente eccitano due vibrazioni molecolari simultaneamente a angoli retti tra loro. Paragonando ciò alla tecnica della rumba, Hauser ha spiegato:

“La giusta combinazione di avanti-indietro e sinistra-destra crea un piccolo anello chiuso. E questo movimento circolare di ogni nucleo atomico interessato genera effettivamente un campo magnetico, ma solo molto localmente, con dimensioni nell’ordine di pochi nanometri.”

Tutto ciò è puramente teorico, però. Il team ora lavorerà per dimostrare sperimentalmente che i campi magnetici molecolari possano essere generati in modo controllato così da poterli effettivamente utilizzare. 

Per l’esperimento, tuttavia, hanno bisogno di identificare un substrato che interagisca minimamente con i processi mirati, poiché le future applicazioni richiedono il posizionamento della molecola ftalocianina su una superficie. Tuttavia, ciò altera le condizioni fisiche, influenzando l’eccitazione prodotta dalla luce e le caratteristiche del campo magnetico.

Quindi, prima di poterlo testare realmente negli esperimenti, il team deve prima calcolare l’interazione tra le ftalocianine depositate, la luce infrarossa e il materiale di supporto. Se l’esperimento conferma i cambiamenti previsti nelle costanti di schermatura magnetica, lo studio afferma, può essere considerato la prima misurazione di un campo magnetico creato vibrazionalmente, con risoluzione intramolecolare.

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Aziende che Avanzano il Campo del Calcolo Quantistico

Ci sono diverse aziende, come Microsoft (MSFT ), Intel (INTC ) e D-Wave, che stanno lavorando per avanzare il calcolo quantistico. IBM è un nome di spicco che si concentra sul calcolo quantistico da molti anni. Recentemente, ha collaborato con l’Istituto Nazionale Giapponese di Scienza e Tecnologia Industriale Avanzata (AIST) per aiutare quest’ultimo a produrre un computer quantistico contenente 10.000 qubit prima della fine di questo decennio. Quindi, tra tutti questi sviluppi, diamo un’occhiata più approfondita ad altri nomi importanti del settore:

#1. Google 

Il gigante tecnologico ha dedicato molti sforzi alla costruzione di computer quantistici negli ultimi anni. Nel 2019, Google ha dimostrato per la prima volta che i computer quantistici potevano eseguire un algoritmo impossibile da affrontare per un supercomputer convenzionale.

L’anno scorso, il processore quantistico Sycamore di Google è stato presentato con 70 qubit, un salto rispetto ai 53 qubit della versione precedente. Questo lo rende circa 241 milioni di volte più veloce e più robusto rispetto al modello precedente. Il nuovo computer quantistico di Google, nel frattempo, simula il comportamento dei magneti in grande dettaglio e può aiutarci a comprendere più a fondo il magnetismo.

Per quanto riguarda il calcolo quantistico, Google utilizza un approccio full stack, che comprende l’integrazione fluida di componenti hardware e software. L’azienda sta attualmente gestendo una competizione globale di 3 anni e 5 milioni di dollari chiamata XPRIZE Quantum Applications per avanzare il campo degli algoritmi quantistici.

Con una capitalizzazione di mercato di 2,2 trilioni di dollari, le azioni di Google sono quotate a 177,08 $, in crescita del 26,88 % YTD. Ha un EPS (TTM) di 6,52, un P/E (TTM) di 27,18 e un rendimento da dividendo dello 0,45 %. Per il Q1 2024, l’azienda ha registrato ricavi di 80,5 miliardi di dollari, in aumento del 15 % su base annua, mentre il margine operativo è salito al 32 %.

#2. Dell 

Questa azienda tecnologica ha iniziato a compiere passi concreti nel calcolo quantistico. Recentemente, Dell ha introdotto una piattaforma ibrida classica/quantistica sviluppata con IonQ. Ha anche annunciato una collaborazione con Aramco per esplorare progressi nel calcolo quantistico, nell’IA e nel edge computing. Insieme, Aramco e Dell mirano a affrontare sfide complesse nei settori dell’ottimizzazione energetica, della modellazione meteorologica, della scienza dei materiali e della manutenzione predittiva attraverso il calcolo quantistico.

Secondo Catherine Doyle, MD di Dell Technologies (DELL ) Ireland, il calcolo quantistico aiuterà anche nei progressi dell’IA poiché “diventerà intrecciato nel prossimo futuro”.

Con una capitalizzazione di mercato di 100,74 miliardi di dollari, le azioni di Dell sono attualmente quotate a 144,50 $, in crescita dell’85,66 % YTD. Ha un EPS (TTM) di 4,36, un P/E (TTM) di 32,55 e un rendimento da dividendo dell’1,25 %. Per il Q1 2024, l’azienda ha registrato ricavi di 22,2 miliardi di dollari e un utile netto di 60 milioni di dollari.

Conclusione

Il calcolo quantistico è stato un’area di interesse in crescita per ricercatori, organizzazioni e governi. Grazie alla sua capacità di offrire velocità elevate, maggiore sicurezza, maggiore efficienza, simulazioni accurate e analisi migliorate, è comprensibile che vi sia un’attenzione crescente accompagnata da continue ricerche e investimenti, che potrebbero finalmente vedere il calcolo quantistico diventare una realtà e trovare la sua applicazione in tutti i settori.

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