Guidare il futuro quantistico: interferenza fononica e nuovi materiali

A differenza dei computer classici, come i nostri laptop e smartphone, un computer quantistico sfrutta le proprietà della fisica quantistica per eseguire calcoli e memorizzare dati, il che lo rende migliore persino di alcuni dei migliori supercomputer odierni in determinati compiti.

A differenza della codifica delle informazioni in bit binari (0 o 1) come nei normali computer, l'unità di base della memoria di un computer quantistico è un qubit, che è fatto utilizzando sistemi fisici come lo spin di un elettrone o l'orientamento di un fotone. 

Bit quantistici, o qubit, possono essere organizzati in molti modi diversi contemporaneamente. Questo significa che possono rappresentare sia 0 che 1 contemporaneamente, una proprietà chiamata sovrapposizione quantistica. I qubit possono anche essere collegato attraverso l'entanglement quantistico, in cui le particelle connesse condividono lo stesso destino indipendentemente dalla distanza tra loro.

Di conseguenza, un computer quantistico È creduto avere la capacità di eseguire calcoli esponenzialmente più velocemente di qualsiasi computer classico. 

Grazie a questo vantaggio, i computer quantistici promettono di rivoluzionare l'informatica moderna. In teoria, possono ottimizzare la logistica, violare gli schemi di crittografia più diffusi, consentire la scoperta di nuovi farmaci e materiali e aiutare i fisici a eseguire simulazioni fisiche. 

Sebbene i computer quantistici non siano ancora diventati realtà, la ricerca per crearne uno pratico sta accelerando poiché le principali aziende tecnologiche stanno lavorando per passare da piccoli esperimenti di laboratorio a sistemi completamente funzionanti nei prossimi anni.

IBM ha già esposto il suo piano dettagliato, e Jay Gambetta, responsabile dell'iniziativa quantistica di IBM, ha dichiarato al Financial Times che non si tratta più di un sogno:

"Ho davvero la sensazione che abbiamo decifrato il codice e che saremo in grado di costruire questa macchina entro la fine del decennio."

Mentre Google, un Alfabeto (GOOG ) società di proprietà, è anche fiduciosa nella sua capacità di produrre un sistema su scala industriale in questo lasso di tempo, Amazon (AMZN ) si aspetta che ci vorranno ancora alcuni decenni prima che queste macchine diventino realmente utili.

È evidente che i maggiori attori del settore stanno ponendo molta attenzione su questa tecnologia emergente, sebbene la sua adozione nel mondo reale continui a essere ostacolata da diverse sfide.

Questo include la suscettibilità dei qubit ai disturbi nell'ambiente, noti anche come "rumore". Fattori come calore, vibrazioni e campi elettromagnetici può causare la perdita delle proprietà quantistiche di un qubit. Questo processo, noto come decoerenza quantistica, provoca il crash del sistema e introdurre errori nei calcoli. Questa sensibilità rappresenta una sfida importante nella costruzione e nel funzionamento dei computer quantistici.

Per proteggere i qubit dalle interferenze esterne, gli scienziati li isolano fisicamente, li mantengono al fresco o li colpiscono con scariche concentrate di energia.

Oltre al rumore, la correzione degli errori, la scalabilità, le conoscenze specialistiche, l'elevato consumo di risorse e l'integrazione con i sistemi classici sono altre sfide che i computer quantistici devono affrontare. L'aspetto positivo è che queste problematiche vengono affrontate attivamente da aziende e scienziati attraverso diversi approcci, al fine di rendere i computer quantistici una realtà. 

Neglectons: particelle trascurate nell'informatica quantistica

Uno dei modi per superare la fragilità dei qubit per costruire computer quantistici stabili è abbinarli a elementi matematici che sono stati visti in precedenza come irrilevante. 

Questa scoperta è stata riportata dai matematici la scorsa settimana, che hanno notato che le particelle trascurate chiamate i “negligenti” possono contribuire a rivoluzionare il settore¹.

La quasiparticella qui discussa è chiamata anyone di Ising, che esiste solo in sistemi 2D ed è il cuore del calcolo quantistico topologico. Ciò significa che gli anyoni non immagazzinano informazioni nelle particelle stesse, ma nel modo in cui si avvolgono l'una attorno all'altra, che è molto più resistente al rumore. Il problema qui è che gli anyoni di Ising non sono universali.

Per risolvere questo problema, il team si è rivolto alla "teoria quantistica topologica non semisemplice". Questa teoria consente di prevedere nuove particelle sconosciute "semplicemente comprendendo la simmetria di ciò che accade".

In base a ciò, ogni particella ha una dimensione quantistica, un numero che riflette quanto “peso” o influenza ha nel sistema. Mentre la particella con peso zero viene generalmente scartata, nelle nuove versioni non semisemplici, quelle particelle sono tenuti prima capire come fai in modo che quel numero non sia zero.

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

Lo studio ha dimostrato che con un solo neglecton, la particella è in grado di effettuare calcoli universali semplicemente intrecciandoli. 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 schermati da molti tipi di rumore.

Addestrare l'intelligenza artificiale a riorganizzare gli atomi in modo efficiente

In un altro caso, i ricercatori ha utilizzato l'intelligenza artificiale per assemblare il "cervello" di un computer quantistico².

Che cosa la team cosa hanno fatto? ha impiegato l'intelligenza artificiale per trovare il modo più ottimale per mettere insieme rapidamente una rete di atomi che in futuro potrebbe fungere da cervello di un computer quantistico.

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

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

Quando si costruiscono "matrici di atomi neutri", la sfida consiste nel trovare il modo di riorganizzarle in modo "efficiente, veloce e scalabile", una sfida che l'intelligenza artificiale ha risolto.

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

L'idea è quella di utilizzare un numero sufficiente di atomi per aiutare un computer quantistico a superare gli errori. Quindi, il team ha addestrato il modello di intelligenza artificiale su come gli atomi di rubidio (Rb) possono essere messi in diverse configurazioni di griglia utilizzando vari schemi di luce laser. Quindi, in base alla posizione di partenza degli atomi, il modello di intelligenza artificiale può calcolare l'esatto schema di luce necessario per riorganizzarli in forme 2D e 3D.

Utilizzando il loro modello di intelligenza artificiale, il team ha assemblato una serie di atomi di rubidio fino a 2,024 in soli 60 millisecondi. Lo studio ha rilevato:

"Questo protocollo può essere facilmente utilizzato per generare array privi di difetti composti da decine di migliaia di atomi con le tecnologie attuali e può diventare un utile strumento per la correzione degli errori quantistici."

Distillazione dello stato magico dei qubit logici

Nel frattempo, il mese scorso, gli scienziati ha raggiunto una svolta nello "stato magico"³ per costruire computer quantistici privi di errori.

Gli scienziati hanno effettivamente dimostrato un fenomeno chiamato "distillazione dello stato magico", che, sebbene proposto due decenni fa, non era stato utilizzato fino ad ora nei qubit logici. Questo è nonostante sia considerato fondamentale per produrre "stati magici", che sono necessari per sfruttare appieno il potenziale dei computer quantistici.

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

Per essere utilizzati dagli algoritmi, gli stati magici di qualità più elevata vengono prima "purificati" attraverso un processo di filtraggio chiamato distillazione dello 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 dimostrato la distillazione dello stato magico in pratica su qubit logici.

Utilizzando il computer quantistico Gemini ad atomi neutri, gli scienziati hanno distillato cinque stati magici imperfetti in uno stato magico più pulito. Eseguendo questa operazione separatamente su un qubit logico di tipo Distance-3 e su un qubit logico di tipo Distance-5, gli scienziati hanno dimostrato che il processo di distillazione è proporzionale alla qualità del qubit logico.

Di conseguenza, la fedeltà dello stato magico finale supera la fedeltà di qualsiasi input, confermando che la distillazione dello stato magico resistente ai disturbi funziona davvero nella pratica.

Sbloccare la memoria quantistica con le onde sonore

Ora, proprio la scorsa settimana, gli scienziati del Caltech hanno pubblicato la loro ricerca che ha dimostrato Le onde sonore aprono un'altra strada al 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 i risonatori attentamente progettati consentono agli elettroni di formare qubit superconduttori che eccellono nello svolgimento di operazioni rapide e complesse ma non sono adatti per la conservazione a lungo termine. 

L'archiviazione delle informazioni negli stati quantistici continua a rappresentare una sfida; per affrontarla, i ricercatori stanno creando "memorie quantistiche" per conservare le informazioni quantistiche per un periodo di tempo superiore a quello dei qubit superconduttori ampiamente utilizzati. E il nuovo metodo ibrido del team del Caltech ha esteso la memoria quantistica. 

"Una volta ottenuto uno stato quantistico, potresti non volerci fare nulla immediatamente. Hai bisogno di un modo per tornarci quando vuoi eseguire un'operazione logica. Per questo, hai bisogno di una memoria quantistica."

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

Il team ha quindi creato un qubit superconduttore su un chip e lo ha collegato a un piccolo dispositivo denominato oscillatore meccanico, che è sostanzialmente un diapason in scala ridotta. 

Questo oscillatore è composto di piastre flessibili che vibrano in risposta alle onde sonore di frequenze GHz. Dopo l'applicazione di una carica elettrica, queste piastre interagiscono con segnali elettrici che trasportano informazioni quantistiche, consentendo alle informazioni di essere incanalato nel dispositivo per essere archiviato come "memoria" e poi incanalato all'esterno, o "ricordato".

Dopo la misurazione, i ricercatori hanno scoperto che l'oscillatore aveva una durata di vita, ovvero il tempo impiegato per perdere il contenuto quantistico una volta che le informazioni è inserito nel dispositivo, che era circa 30 volte più lungo di quello dei migliori qubit superconduttori.

In mezzo a tutti questi progressi, due nuovi studi sostenuti dalla National Science Foundation hanno raggiunto maggiore scoperte che ci avvicinano ulteriormente all'utilizzo pratico dei computer quantistici.

Nuovi materiali quantistici per qubit stabili

Un team di ricercatori della Chalmers University of Technology, L'Università di Helsinki e l'Università Aalto hanno svelato un materiale quantistico in grado di cambiare per sempre l'informatica quantistica, rendendo i computer quantistici più stabili. Questo risultato è ottenuto utilizzando il magnetismo per proteggere i fragili qubit dal rumore. 

Se abbinata al loro strumento computazionale per individuare materiali con interazioni magnetiche, questa svolta può finalmente portare a computer quantistici pratici e tolleranti ai guasti.

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

Negli ultimi tempi, i ricercatori hanno esplorato attivamente la possibilità di creare materiali completamente nuovi per risolvere il problema del rumore, fornendo la protezione necessaria contro i disturbi nella loro topologia.

Stati quantistici che si verificano e sono sostenuti Grazie alla struttura intrinseca del materiale stesso, utilizzato per creare i qubit, si definiscono eccitazioni topologiche. E queste sono robuste e stabili. La sfida, tuttavia, rimane quella di trovare materiali che supportino naturalmente stati quantistici robusti.

L'ultimo studio 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, in quanto integra la stabilità direttamente nella progettazione del materiale.

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

"Si tratta di un tipo completamente nuovo di materiale quantistico esotico, in grado di mantenere le sue proprietà quantistiche anche se esposto a perturbazioni esterne. Può contribuire allo sviluppo di computer quantistici sufficientemente robusti da affrontare i calcoli quantistici nella pratica."

Con "materiali quantistici esotici" si intendono diverse nuove classi di solidi dotati di elevata resilienza e proprietà quantistiche estreme; la ricerca di tali materiali è da tempo una sfida.

Ora, quando si tratta del nuovo metodo del team, il magnetismo è la chiave. Ciò che i ricercatori hanno tradizionalmente fatto è stato seguire una "ricetta" consolidata basata sull'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 questa è una pratica piuttosto rara e può essere utilizzata solo su un numero limitato di materiali. Per questo motivo, il team ha presentato un nuovo metodo per ottenere lo stesso effetto. Il nuovo metodo sfrutta il magnetismo, che è 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 è presente naturalmente in molti materiali. È paragonabile alla cottura al forno con ingredienti di uso quotidiano, anziché con spezie rare", ha osservato Chen. "Questo significa che ora possiamo ricercare proprietà topologiche in uno spettro molto più ampio di materiali, compresi quelli che in precedenza erano è stato trascurato. "

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

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

"La nostra speranza è "Questo approccio può contribuire a guidare la scoperta di molti altri materiali esotici", ha affermato Chen. "In definitiva, questo può portare a piattaforme di computer quantistici di nuova generazione, costruite su materiali naturalmente resistenti al tipo di disturbi che affliggono i sistemi attuali".

Sfruttare il potere inutilizzato dei fononi

Un'altra svolta è stata stato raggiunto dai ricercatori della Rice University, che può aprire la strada alle tecnologie di prossima generazione nel campo della rilevazione e dell'informatica. Questo ha 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 di diversa distribuzione di frequenza entrare in interferenza tra loro, quel fenomeno è noto come Risonanza di FanoLo studio ha rilevato una risonanza di Fano di due ordini di grandezza maggiore che mai.

“Mentre questo fenomeno è ben studiato per particelle come elettroni e fotoni, l’interferenza tra fononi è è stato molto meno esplorato", ha affermato il primo autore dello studio, Kunyan Zhang, ex ricercatore post-dottorato alla Rice. "Si tratta di un'occasione persa, poiché i fononi possono mantenere il loro comportamento ondulatorio per lungo tempo, il che li rende promettenti per dispositivi stabili e ad alte prestazioni."

Lo studio ha dimostrato efficacemente che i fononi possono essere sfruttati con la stessa efficacia della luce o degli elettroni, aprendo la strada alla tecnologia di nuova generazione basata sui fononi. La base di questa innovazione è l'utilizzo di un metallo 2D su una base di carburo di silicio.

Tra uno strato di grafene e di carburo di silicio, il team ha inserito alcuni strati di atomi d'argento utilizzando la tecnica dell'eteroepitassia a confinamento, che ha prodotto un'interfaccia strettamente legata con eccezionali proprietà quantistiche.

“Il metallo 2D innesca e rafforza l’interferenza tra le diverse modalità vibrazionali nel carburo di silicio, raggiungendo livelli record.”

– Zhang

Per il loro lavoro, il team ha esplorato ad appena come i fononi interferiscono tra loro. Per questo, hanno analizzato la forma del segnale tramite spettroscopia Raman, una tecnica utilizzata per misurare i modi vibrazionali di un materiale. I ricercatori hanno scoperto una linea nettamente asimmetrica, che in alcuni casi presentava una flessione completa, formando un pattern di antirisonanza caratteristico di un'interferenza intensa.

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

Confrontando tre terminazioni superficiali uniche del SiC, i ricercatori hanno scoperto una forte correlazione tra ciascuna di esse e la forma unica della linea Raman. Inoltre, la forma della linea spettrale cambiava notevolmente quando una singola molecola di colorante è stato presentato in superficie.

"Questa interferenza è così sensibile che può rilevare la presenza di una singola molecola", ha affermato Zhang. "Consente il rilevamento di singole molecole senza marcatura con una configurazione semplice e scalabile. I nostri risultati aprono una nuova strada all'utilizzo dei fononi nel rilevamento quantistico e nella rilevazione molecolare di nuova generazione".

Esaminando la dinamica dell'effetto alle basse temperature, è stato confermato che l'interferenza deriva esclusivamente dalle interazioni dei fononi e non degli elettroni, rendendolo un raro caso di interferenza quantistica dei soli fononi. 

Il team ha osservato questo effetto solo nel sistema di carburo di silicio 2D utilizzato, grazie alle configurazioni superficiali e agli speciali percorsi di transizione abilitati dallo strato sottile.

"Rispetto ai sensori convenzionali, il nostro metodo offre un'elevata sensibilità senza la necessità di etichette chimiche speciali o di configurazioni complicate del dispositivo", ha affermato il coautore Shengxi Huang, professore associato di ingegneria elettrica e informatica e scienza dei materiali e nanoingegneria alla Rice. "Questo approccio basato sui fononi non solo fa progredire il rilevamento molecolare, ma apre anche interessanti possibilità nel campo dell'energia raccolta, gestione termica e tecnologie quantistiche, dove il controllo delle vibrazioni è fondamentale."

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Investire nel calcolo quantistico

Diversi importanti giganti della tecnologia e investitori stanno scommettendo molto sulle scoperte quantistiche. Tra questi, figurano 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 le startup che esplorano nuovi materiali, la correzione degli errori e le tecnologie fononiche.

Microsoft (MSFT )

Tra tutti questi grandi nomi, Microsoft si distingue in modo significativo. Ha promosso investimenti sia nella tecnologia quantistica che in quella a fusione, proponendoli come tecnologie complementari per alimentare i data center basati sull'intelligenza artificiale del futuro. Analogamente, il laboratorio di intelligenza artificiale quantistica 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 Microsoft è salito da circa 354 dollari all'inizio di aprile 2025 a un picco superiore a 524 dollari ad agosto, prima di scendere nuovamente a circa 509 dollari il 19 agosto. L'attuale valutazione dell'azienda include un rapporto P/E di 38.1, con un utile per azione (TTM) di 13.70 dollari e un rendimento da dividendi dello 0.59%. Per l'anno fiscale 2025, il fatturato è stato di 281.7 miliardi di dollari e l'utile netto di 101.8 miliardi di dollari. La domanda per le sue attività cloud e AI, in particolare, sta contribuendo a far salire la sua performance.

Ultimissime Microsoft Corporation (MSFT) Notizie e sviluppi azionari

Conclusione

I computer quantistici vantano la capacità di eseguire calcoli complessi a velocità molto superando quelle dei computer classici, il che promette di consentire scoperte rivoluzionarie in vari campi, tra cui la scoperta di farmaci, la scienza dei materiali, l'intelligenza artificiale e la crittografia.

Ma ovviamente i computer quantistici sono ben lontani dall'essere una realtà ancora, affrontando sfide quali rumore, scalabilità, stabilità, archiviazione, memoria e controllo. Ma c'è un lato positivo: i ricercatori stanno facendo progressi costanti su tutti questi fronti e, insieme, ci stanno portando sempre più vicini allo sviluppo di computer quantistici pratici!

Clicca qui per un elenco delle cinque principali aziende di informatica quantistica.

Riferimenti:

1. Iulianelli, F., Kim, S., Sussan, J., et al. Calcolo quantistico universale utilizzando gli anyoni di Ising da una teoria quantistica dei campi topologica non semisemplice. Nature Communications, 16, 6408, pubblicato il 05 agosto 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8
2. Ahart, J. (2025 agosto 15). L'intelligenza artificiale aiuta ad assemblare il "cervello" del futuro computer quantistico. Nature. https://doi.org/10.1038/d41586-025-02577-9
3. Sales Rodriguez, P., Robinson, JM, Jepsen, PN, et al. Dimostrazione sperimentale della distillazione dello stato magico logico. Nature, pubblicato il 14 luglio 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09367-3
4. Bozkurt, AB, Golami, O., Yu, Y., et al. Una memoria quantistica meccanica per fotoni a microonde. Fisica della natura, pubblicato il 13 agosto 2025. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
5. Lippo, Z., Pereira, EL, Lado, JL e Chen, G. Modalità topologiche zero e pompaggio di correlazione in un reticolo Kondo progettato. Physical Review Letters, 134(11), 116605, pubblicato marzo 2025. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.116605
6. Zhang, K., et al. Interferenza quantistica fononica sintonizzabile indotta da metalli bidimensionali. Anticipi Scienza, 11, eadw1800, pubblicato nel 2025. https://doi.org/10.1126/sciadv.adw1800