Il calcolo quantistico avanza di gran passo con la tecnologia superconduttiva avanzata

Una tecnologia emergente, il calcolo quantistico utilizza le leggi dei meccanismi quantistici per risolvere problemi complessi che sono al di là della capacità dei computer tradizionali. 

Questi computer quantistici memorizzano le informazioni nei qubit (o bit quantistici). A differenza dei bit classici, questi qubit possono esistere al di là di uno stato binario di 0 e 1 e, pertanto, possono eseguire calcoli molto più rapidamente. 

Inoltre, questi qubit sono disponibili in diverse forme, tra cui i qubit a ioni intrappolati, che utilizzano ioni o atomi carichi; i qubit fotonici, che utilizzano particelle di luce; e i qubit superconduttori, che sono un anello di circuito con una corrente elettrica che vi scorre intorno.

Parte della computazione quantistica ‘solid-state’, 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 come la riduzione della dissipazione energetica, bassa resistenza, diminuzione della decoerenza, circuiti quantistici scalabili, operazione dei qubit ad alta velocità, stati dei qubit stabili, controllo dei qubit ad alta fedeltà e correzione degli errori.

Negli ultimi dieci anni, il calcolo quantistico superconduttivo è diventato un’opzione popolare per costruire computer quantistici funzionali, e la ricerca in corso ci sta avvicinando a renderli una 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 il calcolo quantistico.

Il nuovo materiale superconduttore è un candidato per un “superconduttore topologico”, un tipo che utilizza un buco 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 ha combinato tellurio trigonale, un materiale non magnetico che non può essere sovrapposto sulla sua immagine speculare, con un superconduttore a stato di superficie generato sulla superficie di un sottile film d’oro.

Questa combinazione ha creato un superconduttore a interfaccia 2D con una polarizzazione di spin migliorata, consentendo alle eccitazioni di essere potenzialmente usate per creare un qubit di spin stabile. Questo materiale superconduttore rivoluzionario ha il potenziale di 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 a interfaccia bidimensionale. Il superconduttore di interfaccia è unico poiché vive in un ambiente dove l’energia dello spin è sei volte più potenziata rispetto a quella dei superconduttori convenzionali.”

– Wei, professore associato di fisica e astronomia

Sotto un campo magnetico, il materiale è stato ulteriormente osservato effettuare una transizione, il che suggerisce il suo utilizzo come superconduttore triplet, che potrebbe portare a componenti di calcolo quantistico più robusti. In pratica è diventato più robusto a un campo magnetico elevato rispetto a un campo magnetico basso. 

Inoltre, utilizzando materiali non magnetici per interfacce più pulite, questa nuova tecnologia sopprime naturalmente le fonti di decoerenza, che è una sfida nel calcolo quantistico.

I ricercatori hanno anche dimostrato la capacità del superconduttore di essere trasformato in risonatori a microonde a bassa perdita di alta qualità, che sono componenti critici del calcolo quantistico. In tal modo, ciò può portare a qubit superconduttori a bassa perdita. 

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

“Abbiamo raggiunto questo usando materiali che sono un ordine di grandezza più sottili rispetto a quelli tipicamente usati nell’industria del calcolo quantistico.”

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

Una settimana prima di questo, un team guidato da UCLA ha pubblicato uno studio presentando un nuovo materiale che mostra promesse per il calcolo quantistico. 

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

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

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

Innovazioni nel controllo e nella scalabilità dei qubit

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

Tuttavia, una delle più grandi sfide che ostacola la crescita dei computer quantistici è la scalabilità, il che significa che computer sufficientemente grandi possano affrontare problemi reali. 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.

Quindi, i ricercatori in Giappone hanno affrontato 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 superconduttivo in grado di controllare molti qubit a basse temperature.

In questo esperimento, un circuito superconduttivo è stato dimostrato a controllare più qubit attraverso un solo cavo usando il multiplexing a microonde. Il circuito ha il potenziale di 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 a interfacciarsi tra i qubit e l’elettronica a temperatura ambiente, è stato sviluppato un innovativo ‘cryo-electronics’. ‘Cryo-electronics’ è l’elettronica per il controllo e la lettura dei qubit che opera a temperature criogeniche vicino ai qubit. 

È stato dimostrato che i cryo-electronics funzionano anche 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 minimizzare il calore generato accanto ai qubit.

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

In questa ricerca, gli scienziati hanno creato uno strato superconduttivo sopra un isolante topologico, tungsteno ditelluride (WTe2). La tecnica ha utilizzato un ‘seme’ di metallo depositato (palladio) sulla superficie dell’isolante per formare una nuova struttura cristallina, Pd7WTe2, che ha mostrato resistenza zero.

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

Mentre sono necessari ulteriori test per determinare se si tratta di un superconduttore topologico, i ricercatori credono che nuovi superconduttori possano essere creati attraverso il loro metodo generale.

Affrontare la decoerenza e migliorare le prestazioni

Un’altra scoperta nel calcolo quantistico è avvenuta all’inizio di quest’anno quando i ricercatori hanno introdotto un nuovo approccio ai circuiti superconduttori. Questo approccio ha il potenziale di estendere significativamente il tempo di esecuzione di un computer quantistico.

Come abbiamo osservato, il funzionamento continuo di un tale computer viene interrotto a causa della facilità con cui lo stato quantistico di un qubit può essere destabilizzato. Questo è chiamato decoerenza e porta a errori nei calcoli. Accade a causa delle interazioni con altri qubit e il loro ambiente.

E poiché i qubit superconduttori consentono il passaggio tra diversi stati nel minor tempo possibile, sono al centro di una ricerca in crescita. Ma sebbene possano migliorare i tempi di commutazione, sono anche più suscettibili alla decoerenza in tempi così brevi come i millisecondi.

Quindi, un gruppo internazionale di ricercatori ha proposto un design di giunzione Josephson, denominato “flowermon”. Questo design utilizza due strati di cuprato spessi un atomo, un materiale superconduttivo a base di rame.

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

– Uri Vool, fisico presso il Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids in Germania

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

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

Un diodo è un dispositivo che consente il flusso di corrente in una direzione. Sebbene solitamente realizzato con semiconduttori, i ricercatori hanno esplorato la realizzazione di diodi con superconduttori, che permettono il trasferimento di energia senza perdita di potenza.

L’autore principale della ricerca Vlad Pribiag, professore associato presso la University of Minnesota School of Physics and Astronomy, ha osservato:

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

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

Il dispositivo diodo superconduttivo è stato costruito utilizzando tre giunzioni Josephson. Sebbene realizzato inserendo pezzi di materiale non superconduttivo al centro dei superconduttori, i ricercatori hanno collegato i superconduttori con strati di semiconduttori. 

Questo design unico ha permesso ai ricercatori di controllare il comportamento del dispositivo usando la tensione. Può anche elaborare più segnali elettrici contemporaneamente, a differenza dei diodi usuali, che possono gestire solo un ingresso e un’uscita ciascuno. Queste caratteristiche possono far sì che il diodo superconduttivo venga utilizzato anche nel calcolo neuromorfico ispirato al cervello.

Nel calcolo neuromorfico, i circuiti elettrici sono progettati per imitare il funzionamento dei neuroni nel cervello umano per migliorare le prestazioni.

Secondo Mohit Gupta, primo autore del documento, questo nuovo diodo superconduttivo è più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ad altri diodi superconduttivi. Più specificamente, per la prima volta, è dotato di una serie di porte per controllare il flusso di energia. Questa caratteristica non era stata incorporata in un diodo superconduttivo prima, ma questo studio ha “dimostrato che è possibile aggiungere porte e applicare campi elettrici per regolare questo effetto.”

Inoltre, il materiale utilizzato in questa ricerca era più adatto all’industria e in grado di offrire nuove funzionalità.

La tecnica utilizzata in questo studio può ulteriormente essere utilizzata con qualsiasi superconduttore, il che la rende altamente flessibile e compatibile con le applicazioni industriali. Queste qualità possono aiutare a scalare lo sviluppo dei computer quantistici per un uso più ampio.

“Al momento, tutte le macchine di calcolo quantistico disponibili sono molto basilari rispetto alle esigenze delle applicazioni del mondo reale. È necessario scalare per avere un computer sufficientemente potente da affrontare problemi utili e complessi.”

– Pribiag

Questo ha un’importanza speciale oggi poiché l’uso dell’IA cresce notevolmente. Questo ha portato le persone a ricercare algoritmi per computer o macchine IA che possano superare le prestazioni dei computer classici. Questo studio, ha osservato Pribiag, sta sviluppando l’hardware per consentire ai computer quantistici di implementare questi algoritmi. 

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

Ridurre le dimensioni dei qubit con materiali 2D senza influire sulle prestazioni

La ricerca e lo sviluppo continui hanno portato gli scienziati a costruire qubit superconduttori molto più piccoli dei qubit abituali. Questi qubit superconduttori sono stati costruiti usando 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 sono misurati in millimetri, a differenza dei loro equivalenti classici, i cui transistor si sono ridotti a nanometri.

Per ridurre le dimensioni dei qubit in modo che non occupino molto spazio fisico mantenendo le loro prestazioni, James Hone, professore Wang Fong-Jen di Ingegneria Meccanica alla Columbia University, ha mostrato un condensatore di qubit superconduttivo davvero piccolo.

In precedenza, gli ingegneri usavano condensatori planari per costruire chip di qubit. Qui, le piastre cariche sono posizionate affiancate, e mentre possono essere impilate per risparmiare spazio, ciò interferirebbe con l’archiviazione delle informazioni del qubit.

Quindi, 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 niobio diselenide superconduttivo. Spessi solo un atomo, questi strati sono tenuti insieme dalle forze di van der Waals, un’interazione debole 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 rispetto a quelli prodotti con approcci convenzionali.

Quando raffreddati, i qubit hanno mantenuto la stessa lunghezza d’onda. Sono stati anche osservati diventare intrecciati e agire come un’unica unità. Questa coerenza quantistica, sebbene 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 contenere la chiave per rendere possibili i computer quantistici. È ancora una fase molto precoce, ma scoperte come queste stimoleranno i ricercatori di tutto il mondo a considerare nuove applicazioni dei materiali 2D. Speriamo di vedere molto più lavoro in questa direzione in futuro.”

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

Alcuni materiali 2D popolari includono Silicene, Graphene, Germanene, Stanene, Phosphorene, Dichalcogenuri di metalli di transizione (TMDC) e Boro nitruro esagonale (h-BN).

Mentre questi materiali offrono proprietà diverse e potenziale per applicazioni tecnologiche trasformative, affrontano sfide in termini di sintesi, integrazione e scalabilità che necessitano di essere superate prima che il loro pieno potenziale possa essere realizzato.

Aziende chiave che guidano la rivoluzione del calcolo quantistico

Ora, diamo un’occhiata ad alcune aziende di spicco coinvolte nei superconduttori e nel calcolo quantistico:

#1. Alphabet (Google)

Alphabet è fortemente investita nella ricerca sul calcolo quantistico tramite la sua controllata Google Quantum AI. La divisione ha creato un processore quantistico superconduttivo chiamato Sycamore, che, nel 2019, è stato in grado di completare un calcolo in 200 secondi che altrimenti avrebbe richiesto 10.000 anni anche a un supercomputer potente. Da allora, il processore quantistico Sycamore è cresciuto notevolmente e ora dispone di 70 qubit, rendendolo 241 milioni di volte più robusto rispetto al modello precedente.

Il colosso tecnologico ha una capitalizzazione di mercato di 2,06 trilioni di dollari, e le sue azioni (GOOGL:NASDAQ) sono scambiate a $165,68, in rialzo del 18,56% YTD. Per il Q2 2024, Alphabet ha riportato un aumento del 28,6% del suo utile netto a 23,6 miliardi di dollari, mentre il fatturato totale è cresciuto del 14% a 84,74 miliardi di dollari. La casa madre di Google ha anche annunciato un dividendo in contanti di $0,20 per azione.

#2. NVIDIA Corporation

NVIDIA ha esplorato il calcolo quantistico e i superconduttori attraverso partnership e collaborazioni. A marzo di quest’anno, l’azienda ha annunciato l’accelerazione dei suoi sforzi nel calcolo quantistico presso centri nazionali di supercalcolo in Germania, Giappone e Polonia con la piattaforma open-source NVIDIA CUDA-Q™.

Il gioiello dell’IA sul mercato, le azioni NVIDIA hanno avuto un grande anno finora, come dimostra il loro aumento del 161,24% nel 2024. Questo rialzo ha portato le azioni NVDA a $129,45, portando la capitalizzazione di mercato dell’azienda a 3,188 trilioni di dollari. Il produttore di chip ha registrato un record nel Q1 2024, con un fatturato di 22,1 miliardi di dollari.

Conclusione

Quindi, ricercatori, organizzazioni e aziende di tutto il mondo stanno lavorando per far progredire il calcolo quantistico, che eccelle nella risoluzione di problemi complessi. L’attenzione sulla tecnologia superconduttiva, in particolare, sta contribuendo a guidare progressi significativi e a avvicinarci alla realizzazione del pieno potenziale di questa tecnologia trasformativa. 

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