Guidare il Futuro Quantistico: Interferenza Fonica e Nuovi Materiali

A differenza dei computer classici, come i nostri laptop e smartphone, un computer quantistico utilizza le proprietà della fisica quantistica per eseguire calcoli e memorizzare dati, rendendolo migliore persino rispetto a alcuni dei migliori supercomputer odierni in determinati compiti.

Al contrario della codifica delle informazioni in bit binari (0 o 1) come i computer ordinari, l’unità di base della memoria di un computer quantistico è un qubit, che viene realizzato utilizzando sistemi fisici come lo spin di un elettrone o l’orientamento di un fotone. 

I bit quantistici, o qubit, possono essere disposti in molti modi diversi contemporaneamente. Ciò significa che possono rappresentare sia 0 che 1 simultaneamente, una proprietà chiamata sovrapposizione quantistica. I qubit possono anche essere collegati tramite l’entanglement quantistico, dove le particelle connesse condividono lo stesso destino indipendentemente dalla distanza tra loro.

Di conseguenza, si crede che un computer quantistico abbia la capacità di eseguire calcoli esponenzialmente più veloci di qualsiasi computer classico. 

Con questo vantaggio, i computer quantistici promettono di rivoluzionare l’informatica moderna. Teoricamente, possono ottimizzare la logistica, rompere gli schemi di crittografia prevalenti, consentire la scoperta di nuovi farmaci e materiali, e aiutare i fisici a eseguire simulazioni fisiche. 

Sebbene i computer quantistici non siano ancora una realtà, la ricerca per crearne uno pratico sta accelerando mentre le grandi aziende tecnologiche lavorano per passare da piccoli esperimenti di laboratorio a sistemi completi funzionanti nei prossimi anni.

IBM ha già delineato il suo piano dettagliato, con Jay Gambetta, capo dell’iniziativa quantistica di IBM, che ha detto al Financial Times che non è più un sogno:

“Sento davvero di aver trovato la chiave e potremo costruire questa macchina entro la fine del decennio.”

Mentre Google, una società di Alphabet (GOOG ) posseduta, è anche fiduciosa nella sua capacità di produrre un sistema su scala industriale in questo lasso di tempo, Amazon (AMZN ) prevede qualche decennio in più perché queste macchine diventino davvero utili.

È evidente che i più grandi attori del settore si concentrano fortemente su questa tecnologia emergente, sebbene la loro adozione nel mondo reale continui a essere ostacolata da diverse sfide.

Ciò include la suscettibilità dei qubit a disturbi ambientali, noti anche come “rumore”. Fattori come calore, vibrazioni e campi elettromagnetici possono far perdere a un qubit le sue proprietà quantistiche. Questo processo, noto come decoerenza quantistica, fa crashare il sistema e introduce errori nei calcoli. Questa sensibilità è una sfida importante nella costruzione e gestione dei computer quantistici.

Per proteggere i qubit da interferenze esterne, gli scienziati li isolano fisicamente, li mantengono freddi, o li colpiscono con raffiche concentrate di energia.

Oltre al rumore, correzione degli errori, scalabilità, conoscenze specializzate, intensità di risorse e integrazione con sistemi classici sono altre sfide affrontate dai computer quantistici. La buona notizia è che queste problematiche sono attivamente affrontate da aziende e scienziati attraverso diversi approcci per rendere i computer quantistici una realtà. 

Neglectons: Particelle Trascurate nel Calcolo Quantistico

Uno dei modi per superare la fragilità dei qubit e costruire computer quantistici stabili è accoppiarli con elementi matematici che in precedenza erano considerati irrilevanti. 

Questa scoperta è stata riportata da matematici la scorsa settimana, i quali hanno osservato che particelle trascurate chiamate “neglectons” possono aiutare a rivoluzionare il settore¹.

Il quasiparticella discusso qui è chiamato anyon di Ising, che esiste solo in sistemi 2D ed è il nucleo del calcolo quantistico topologico. Ciò significa che gli anyon non immagazzinano informazioni nelle particelle ma nel modo in cui si intrecciano tra loro, il che è molto più resistente al rumore. Il problema è che gli anyon di Ising non sono universali.

Per affrontare ciò, il team si è rivolto alla “teoria quantistica dei campi topologica non semisemplice”. Questa teoria consente la previsione di nuove particelle sconosciute “semplicemente comprendendo la simmetria di ciò che accade”.

Secondo questa teoria, ogni particella ha una dimensione quantistica, un numero che riflette quanto “peso” o influenza abbia nel sistema. Mentre la particella con peso zero è generalmente scartata, nelle nuove versioni non semisemplici, quelle particelle vengono mantenute prima di determinare come far sì che quel numero non sia zero.

I pezzi trascurati reinterpretati forniscono le capacità mancanti degli anyon di Ising. 

Lo studio ha dimostrato che con un solo neglecton, la particella è capace di calcolo universale semplicemente tramite intreccio. In particolare, gli anyon di Ising possono creare sovrapposizioni poiché dipendono dalla forma del percorso di intreccio e non da posizioni precise, e sono naturalmente protetti da molti tipi di rumore.

Training AI to Rearrange Atoms Efficiently

In un altro caso, i ricercatori hanno usato l’IA per assemblare il ‘cervello’ di un computer quantistico².

Ciò che il team ha fatto è stato impiegare l’intelligenza artificiale per trovare il modo più ottimale per assemblare rapidamente una rete di atomi che potrebbe fungere da cervello di un computer quantistico in futuro.

Secondo il coautore dello studio, Jian-Wei Pan, fisico presso l’Università di Scienza e Tecnologia della Cina:

“L’IA per la scienza sta emergendo come un paradigma potente per affrontare problemi scientifici complessi.”

Quando si costruiscono ‘array di atomi neutri’, la sfida è trovare il modo di riorganizzarli in modo “efficiente, veloce e scalabile”, che l’IA ha risolto.

Atomi neutri, ioni intrappolati e circuiti superconduttori sono utilizzati dai ricercatori per creare qubit grazie alla loro capacità di mantenere stati quantistici per un periodo relativamente lungo. Quando gli atomi vengono usati come qubit, sono intrappolati con luce laser e immagazzinano informazioni quantistiche nei livelli energetici dei loro elettroni.

L’idea è utilizzare un numero sufficiente di atomi per aiutare un computer quantistico a superare gli errori. Quindi, il team ha addestrato il modello di IA su come gli atomi di rubidio (Rb) possono essere posti in diverse configurazioni di griglia usando vari schemi di luce laser. Poi, in base alle posizioni iniziali degli atomi, il modello di IA può calcolare il pattern di luce preciso necessario per riorganizzarli in forme 2D e 3D.

Utilizzando il loro modello di IA, il team ha assemblato un array fino a 2.024 atomi di rubidio in soli 60 millisecondi. Lo studio ha osservato:

“Questo protocollo può essere usato immediatamente per generare array privi di difetti di decine di migliaia di atomi con le tecnologie attuali e diventare una cassetta degli attrezzi utile per la correzione degli errori quantistici.“

Magic State Distillation of Logic Qubits

Nel frattempo, lo scorso mese, scienziati hanno raggiunto un breakthrough di ‘stato magico’³ per costruire computer quantistici privi di errori.

Gli scienziati hanno effettivamente dimostrato un fenomeno chiamato ‘distillazione di stato magico’, proposto due decenni fa, ma non utilizzato nei qubit logici fino a ora. Ciò avviene nonostante fosse considerato critico per produrre ‘stati magici’, i quali sono necessari per sfruttare il pieno potenziale dei computer quantistici.

Tali stati sono preparati in anticipo per essere consumati come risorse da algoritmi quantistici complessi.

Per il loro utilizzo da parte degli algoritmi, gli stati magici di più alta qualità sono prima “purificati” attraverso un processo di filtraggio chiamato distillazione di stato magico. Sebbene possibile su qubit fisici semplici e soggetti a errori, questo processo non è possibile su qubit logici che sono configurati per rilevare e correggere gli errori.

Ora, per la prima volta, gli scienziati hanno mostrato la distillazione di stato magico in pratica su qubit logici.

Utilizzando il computer quantistico a atomi neutri Gemini, gli scienziati hanno distillato cinque stati magici imperfetti in un unico stato magico più pulito. Eseguendo questo su un qubit logico di Distanza-3 e su un qubit logico di Distanza-5 separatamente, gli scienziati hanno dimostrato che il processo di distillazione scala con la qualità del qubit logico.

Come risultato, la fedeltà dello stato magico finale supera qualsiasi fedeltà di input, confermando che la distillazione di stato magico resistente alle perturbazioni funziona effettivamente in pratica.

Unlocking Quantum Memory With Sound Waves

Ora, proprio la scorsa settimana, scienziati del Caltech hanno pubblicato la loro ricerca che ha dimostrato onde sonore aprire un ulteriore percorso verso il calcolo quantistico pratico⁴.

Hanno costruito una memoria quantistica ibrida che trasforma le informazioni elettriche in suono. Questo consente agli stati quantistici di vivere fino a trenta volte più a lungo rispetto ai sistemi superconduttori standard, dove risonatori progettati con cura permettono agli elettroni di formare qubit superconduttori eccellenti per eseguire operazioni rapide e complesse ma non sono adatti per l’archiviazione a lungo termine. 

Memorizzare informazioni in stati quantistici rimane una sfida; per affrontarla, i ricercatori stanno creando “memorie quantistiche” per conservare informazioni quantistiche per un periodo superiore a quello dei qubit superconduttori ampiamente usati. E il nuovo metodo ibrido del team del Caltech ha esteso la memoria quantistica. 

“Una volta che hai uno stato quantistico, potresti non voler fare nulla con esso immediatamente. Devi avere un modo per tornare a esso quando vuoi eseguire un’operazione logica. Per questo, ti serve una memoria quantistica.”

– Mohammad Mirhosseini, professore assistente di ingegneria elettrica e fisica applicata

Quindi, il team ha creato un qubit superconduttore su un chip e lo ha collegato a un piccolo dispositivo chiamato oscillatore meccanico, che è fondamentalmente un diapason su scala ridotta. 

Questo oscillatore è composto da piastre flessibili che vibrano in risposta a onde sonore di frequenze GHz. All’applicazione di una carica elettrica, queste piastre interagiscono con i segnali elettrici che trasportano informazioni quantistiche, permettendo alle informazioni di essere incanalate nel dispositivo per essere memorizzate come “memoria” e poi successivamente rilasciate, o “ricordate”.

Al momento della misurazione, i ricercatori hanno scoperto che l’oscillatore aveva una durata, cioè il tempo necessario a perdere contenuto quantistico una volta che le informazioni sono state inserite nel dispositivo, di circa 30 volte più lunga rispetto a quella dei migliori qubit superconduttori.

Tra tutti questi progressi, due nuovi studi finanziati dalla National Science Foundation hanno raggiunto grandi breakthrough che ci avvicinano ulteriormente all’uso pratico dei computer quantistici.

New Quantum Materials for Stable Qubits

Un team di ricercatori della Chalmers University of Technology, dell’Università di Helsinki e dell’Università di Aalto ha svelato un materiale quantistico che può cambiare per sempre il calcolo quantistico rendendo i computer quantistici più stabili. Lo fa usando il magnetismo per proteggere i fragili qubit dal rumore. 

Quando combinato con il loro strumento computazionale per trovare materiali con interazioni magnetiche, questo breakthrough può finalmente portare a computer quantistici pratici e tolleranti ai guasti.

Il nuovo tipo di materiale quantistico, insieme a un metodo per ottenere stabilità, può rendere i computer quantistici più resilienti, aprendo così la strada al loro uso pratico nella gestione di calcoli quantistici.

Di recente, i ricercatori hanno esplorato attivamente la possibilità di creare materiali completamente nuovi per risolvere il problema del rumore fornendo la protezione necessaria contro le perturbazioni nella loro topologia.

Gli stati quantistici che si verificano e sono sostenuti dalla struttura intrinseca del materiale usato per creare i qubit sono chiamati eccitazioni topologiche. Queste sono robuste e stabili. La sfida, tuttavia, rimane nel trovare materiali che supportino naturalmente stati quantistici robusti.

Lo studio più recente ha sviluppato con successo uno di questi nuovo materiale quantistico per qubit che mostra eccitazioni topologiche robuste⁵.

Questo segna un passo promettente verso il calcolo quantistico topologico pratico, avendo la stabilità integrata direttamente nel design del materiale.

Secondo l’autore principale dello studio, Guangze Chen, ricercatore post-dottorato in fisica quantistica applicata a Chalmers:

“Questo è un tipo completamente nuovo di materiale quantistico esotico che può mantenere le sue proprietà quantistiche quando è esposto a perturbazioni esterne. Può contribuire allo sviluppo di computer quantistici abbastanza robusti da affrontare calcoli quantistici nella pratica.”

‘Materiali quantistici esotici’ si riferisce a diverse nuove classi di solidi con grande resilienza e proprietà quantistiche estreme, e la ricerca di tali materiali è stata a lungo una sfida.

Ora, per quanto riguarda il nuovo metodo del team, il magnetismo è la chiave. Ciò che i ricercatori tradizionalmente hanno fatto è seguire una ‘ricetta’ a lungo stabilita basata sul accoppiamento spin-orbita (SOC). Questo è un’interazione quantistica che collega lo spin di un elettrone al suo movimento orbitale attorno al nucleo atomico per creare eccitazioni topologiche. 

Ma ciò è piuttosto raro e può essere usato solo su un numero limitato di materiali. Come tale, il team ha presentato un nuovo metodo per ottenere lo stesso effetto. Il nuovo metodo utilizza il magnetismo, più comune e accessibile.

Sfruttando le interazioni magnetiche, il team è riuscito a creare eccitazioni topologiche robuste necessarie per il calcolo quantistico topologico.

“Il vantaggio del nostro metodo è che il magnetismo esiste naturalmente in molti materiali. Puoi paragonarlo a cuocere con ingredienti di tutti i giorni anziché usare spezie rare,” ha osservato Chen. “Ciò significa che ora possiamo cercare proprietà topologiche in uno spettro molto più ampio di materiali, inclusi quelli che in precedenza erano stati trascurati.”

Oltre a un nuovo materiale e metodo, i ricercatori hanno anche sviluppato un nuovo strumento computazionale.

Lo strumento li ha aiutati a trovare nuovi materiali con le proprietà topologiche desiderate più rapidamente. Può calcolare direttamente quanto sia forte il comportamento topologico di un materiale.

“La nostra speranza è che questo approccio possa guidare la scoperta di molti altri materiali esotici,” ha detto Chen. “In definitiva, ciò può portare a piattaforme di computer quantistici di nuova generazione, costruite su materiali naturalmente resistenti alle perturbazioni che affliggono i sistemi attuali.”

Harnessing the Untapped Power of Phonons

Un altro breakthrough è stato raggiunto da ricercatori della Rice University, che può aprire la strada a tecnologie di prossima generazione nella sensoristica e nel calcolo. Questo ha mostrato una forte forma di interferenza tra fononi⁶.

I fononi sono vibrazioni nella struttura di un materiale che costituiscono le più piccole unità di calore o suono in quel sistema. 

Quando due fononi con distribuzioni di frequenza diverse entrano in interferenza tra loro, il fenomeno è noto come risonanza di Fano. Lo studio ha riportato una risonanza di Fano di due ordini di grandezza superiore a qualsiasi precedente.

“Mentre questo fenomeno è ben studiato per particelle come elettroni e fotoni, l’interferenza tra fononi è stata molto meno esplorata,” ha affermato il primo autore dello studio, Kunyan Zhang, ex ricercatore post-dottorato alla Rice. “È un’opportunità persa, poiché i fononi possono mantenere il loro comportamento d’onda per molto tempo, rendendoli promettenti per dispositivi stabili e ad alte prestazioni.”

Lo studio ha dimostrato efficacemente che i fononi possono essere sfruttati con successo così come luce o elettroni, aprendo la strada a tecnologie fononiche di nuova generazione. La base di questo breakthrough è l’uso di un metallo 2D su una base di carburo di silicio.

Tra uno strato di grafene e il carburo di silicio, il team ha inserito alcuni strati di atomi d’argento usando la tecnica di eteroepitassia di confinamento, producendo un’interfaccia strettamente legata con proprietà quantistiche eccezionali.

“Il metallo 2D innesca e potenzia l’interferenza tra diversi modi vibratori nel carburo di silicio, raggiungendo livelli record.”

– Zhang

Per il loro lavoro, il team ha esplorato solo come i fononi interferiscono tra loro. Per questo, hanno osservato la forma del segnale nella spettroscopia Raman, una tecnica usata per misurare i modi vibratori di un materiale. Ciò che i ricercatori hanno trovato è una forma di linea asimmetrica marcata, che mostrava una completa depressione in alcuni casi, formando un modello di anti-risonanza caratteristico di intensa interferenza.

Questo effetto ha mostrato alta sensibilità alle specificità della superficie del carburo di silicio (SiC).

Confrontando tre terminazioni di superficie SiC uniche, i ricercatori hanno trovato una forte correlazione tra ciascuna di esse e la forma unica della linea Raman. Inoltre, la forma della linea spettrale è cambiata notevolmente quando una singola molecola colorante è stata introdotta sulla superficie.

“Questa interferenza è così sensibile da poter rilevare la presenza di una singola molecola,” ha detto Zhang. “Consente la rilevazione di molecole singole senza etichette con un setup semplice e scalabile. I nostri risultati aprono una nuova via per l’uso dei fononi nella sensoristica quantistica e nella rilevazione molecolare di nuova generazione.”

Esaminando la dinamica dell’effetto a basse temperature, è stato confermato che l’interferenza proviene puramente dalle interazioni dei fononi e non dagli elettroni, rendendolo un raro caso di interferenza quantistica esclusivamente fononica. 

Il team ha osservato questo effetto solo nel sistema 2D di carburo di silicio che hanno usato a causa delle configurazioni superficiali e dei percorsi di transizione speciali abilitati dallo strato sottile.

“Rispetto ai sensori convenzionali, il nostro metodo offre alta sensibilità senza la necessità di etichette chimiche speciali o configurazioni di dispositivo complesse,” ha affermato la coautrice Shengxi Huang, professore associato di ingegneria elettrica e informatica e scienza dei materiali e nanoingegneria alla Rice. “Questo approccio basato sui fononi non solo avanza la sensoristica molecolare ma apre anche possibilità entusiasmanti nella raccolta di energia , gestione termica e tecnologie quantistiche, dove il controllo delle vibrazioni è fondamentale.”

Swipe to scroll →

Investire nel Calcolo Quantistico

Diversi giganti tecnologici e investitori stanno puntando forte sui breakthrough quantistici. Questo include aziende come IBM (IBM ), Google, Amazon, Microsoft (MSFT ), e molti altri. Stanno tutti ampliando le loro iniziative quantistiche, mentre il capitale di rischio continua a fluire ininterrottamente verso startup che esplorano nuovi materiali, correzione degli errori e tecnologie fononiche.

Microsoft (MSFT )

Tra tutti questi grandi nomi, Microsoft si distingue notevolmente. Ha spinto sia gli investimenti quantistici che di fusione, presentandoli come tecnologie complementari per alimentare data center basati sull’IA in futuro. In modo simile, il laboratorio quantum AI di Google e le roadmap quantistiche pluriennali di IBM riflettono il loro obiettivo di realizzare macchine quantistiche pratiche entro il decennio.

Il prezzo delle azioni di Microsoft è salito da circa $354 all’inizio di aprile 2025 a un picco sopra $524 ad agosto, per poi ritirarsi intorno a $509 al 19 agosto. La valutazione attuale dell’azienda include un rapporto P/E di 38,1, con utili per azione (TTM) di $13,70 e un rendimento da dividendo dello 0,59%. Per l’FY2025, i ricavi sono stati $281,7 miliardi e l’utile netto $101,8 miliardi. La domanda per i suoi servizi cloud e IA, in particolare, sta contribuendo a spingere le performance verso l’alto.

Ultime Notizie e Sviluppi sulle Azioni di Microsoft Corporation (MSFT)

Conclusione

I computer quantistici vantano la capacità di eseguire calcoli complessi a velocità molto superiori a quelle dei computer classici, il che promette di abilitare scoperte in vari campi, tra cui la scoperta di farmaci, la scienza dei materiali, l’IA e la crittografia.

Ma, naturalmente, i computer quantistici sono ancora lontani dall’essere una realtà perché, affrontano sfide come rumore, scalabilità, stabilità, archiviazione, memoria e controllo. D’altro canto, i ricercatori stanno facendo progressi costanti su tutti questi fronti, avvicinandoci sempre più a sbloccare computer quantistici pratici!

Clicca qui per una lista delle cinque migliori aziende di calcolo quantistico.

Riferimenti:

1. Iulianelli, F., Kim, S., Sussan, J., et al. Universal quantum computation using Ising anyons from a non-semisimple topological quantum field theory. Nature Communications, 16, 6408, published 05 agosto 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8
2. Ahart, J. (2025, August 15). AI helps assemble ‘brain’ of future quantum computer. Nature. https://doi.org/10.1038/d41586-025-02577-9
3. Sales Rodriguez, P., Robinson, J. M., Jepsen, P. N., et al. Experimental demonstration of logical magic state distillation. Nature, published 14 luglio 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09367-3
4. Bozkurt, A. B., Golami, O., Yu, Y., et al. A mechanical quantum memory for microwave photons. Nature Physics, published 13 agosto 2025. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
5. Lippo, Z., Pereira, E. L., Lado, J. L., & Chen, G. Topological zero modes and correlation pumping in an engineered Kondo lattice. Physical Review Letters, 134(11), 116605, published marzo 2025. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.116605
6. Zhang, K., et al. Tunable phononic quantum interference induced by two-dimensional metals. Science Advances, 11, eadw1800, published 2025. https://doi.org/10.1126/sciadv.adw1800