Qubit a Millisecondi Segnan un’Innovazione nella Tecnologia Quantistica

Scoperta nei Qubit Superconduttori a Scala di Millisecondi

I computer quantistici potrebbero rivoluzionare il modo in cui eseguiamo la crittografia, calcoliamo simulazioni complesse come la configurazione 3D delle proteine e probabilmente avranno molte altre applicazioni che oggi possiamo solo immaginare.

Per funzionare, hanno bisogno di “qubit” il più stabili possibile, l’elemento fondamentale del calcolo quantistico. Finora, solo i computer quantistici a “ioni intrappolati” sono riusciti a generare qubit altamente stabili. Ma questa tecnologia è intrinsecamente più difficile da scalare rispetto ai qubit superconduttori.

Quindi, mentre i qubit superconduttori potrebbero rappresentare il futuro di questa tecnologia, è necessario un miglioramento nella stabilità del tempo di coerenza dei loro qubit.

Questo è esattamente ciò che un ampio team di ricercatori dell’Università di Princeton ha appena realizzato. Hanno creato un tipo di qubit superconduttore in grado di mantenere la coerenza per più di un millisecondo, 3 volte più a lungo rispetto al record precedente.

Hanno pubblicato i loro risultati su Nature¹, con il titolo “Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits”.

Il Limite di Coerenza del Qubit

Per eseguire il calcolo quantistico, un computer quantistico deve mantenere la “coerenza”, uno stato quantistico speciale estremamente vulnerabile alle interferenze ambientali. In generale, il rumore termico e il movimento delle particelle tendono a distruggere la coerenza in nanosecondi.

In condizioni speciali, come quelle ultra‑fredde, la durata di vita di un qubit può essere più lunga. Tuttavia, una coerenza sufficientemente prolungata rimane una limitazione importante per la maggior parte dei computer quantistici odierni, portando a errori di calcolo che non solo riducono la capacità computazionale totale, ma non possono essere facilmente compensati con aggiornamenti software.

Determinare quale materiale sia in grado di mantenere la coerenza più a lungo è un passo chiave da compiere prima di raggiungere la fase commerciale per l’industria del calcolo quantistico.

“La vera sfida, la cosa che ci impedisce di avere computer quantistici utili oggi, è che costruisci un qubit e l’informazione semplicemente non dura molto.

Questo è il prossimo grande salto in avanti.”

Andrew Houck, decano di ingegneria di Princeton

Come i Ricercatori Hanno Esteso la Coerenza dei Qubit Transmon

I ricercatori hanno utilizzato lo stesso tipo di qubit superconduttore impiegato da aziende come Google o IBM nei loro computer quantistici, qubit transmon.

I qubit transmon hanno il vantaggio di avere alta fedeltà (fidelità delle porte a singolo qubit superiori al 99,9 %), di poter essere prodotti su larga scala e di presentare tempi di coerenza elevati di 0,1 millisecondi.

Questo è promettente, ma il tempo di coerenza è ancora troppo basso.

Quindi, quando i ricercatori di Princeton hanno annunciato di aver creato un qubit con una durata media di 1,68 ms, si tratta di un miglioramento enorme.

Fonte: Nature

Questa è una durata del qubit 3 volte più lunga rispetto al miglior risultato mai ottenuto in laboratorio, e 15 volte più forte rispetto a quello utilizzato dalle aziende private che sviluppano computer quantistici.

Perché Tantalio e Silicio Migliorano la Coerenza Quantistica

Tantalio che Potenzia la Coerenza

Per ottenere questo risultato, i ricercatori hanno introdotto due miglioramenti diversi nel materiale utilizzato.

Innanzitutto, hanno impiegato un metallo chiamato tantalio come strato di base per aiutare i circuiti fragili a preservare l’energia. Questo perché minuscoli difetti di superficie nascosti nel metallo possono intrappolare e assorbire l’energia mentre si muove.

Il problema è particolarmente critico quando si aggiungono più qubit a un chip: questo tipo di errore si moltiplica fino a rendere il chip inutilizzabile oltre un certo numero di qubit.

È stata utilizzata la microscopia elettronica a trasmissione (STEM) per confermare la struttura altamente regolare dei cristalli cubici di tantalio.

Fonte: Nature

Rispetto a metalli come l’alluminio, il tantalio presenta molti meno difetti ed è altamente resistente ai severi processi di pulizia utilizzati per rimuovere le impurità.

“Puoi mettere il tantalio in acido e le proprietà non cambiano.”

Faranak Bahrami – Ricerca presso l’Università di Princeton

Crescere il tantalio direttamente sul silicio è stato una sfida che ha richiesto uno sforzo notevole per essere superata.
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Il Silicio Sostituisce lo Zaffiro

Un’altra fonte di perdita di energia che porta alla perdita di coerenza è il substrato di zaffiro utilizzato nei chip quantistici.

Invece, i ricercatori hanno impiegato silicio di alta qualità (ad alta resistività), un materiale standard comune nell’industria informatica tradizionale.

Insieme, questi miglioramenti nei materiali della piattaforma tantalio‑su‑silicio hanno permesso alle porte a singolo qubit risultanti di raggiungere una fedeltà del 99,994 %.

Dalla Scoperta di Laboratorio ai Chip Quantistici Scalabili

I ricercatori hanno poi utilizzato il loro metodo per costruire un chip quantistico completamente funzionante che supera tutti i progetti precedenti.

Poiché il tasso di errore è moltiplicativo, questo tipo di miglioramento si scala esponenzialmente con la dimensione del sistema. Di conseguenza, il miglioramento di 10‑15 volte nel tasso di errore per i singoli qubit ha un effetto molto più grande su un computer a più qubit.

È importante notare che un tale qubit non è un concetto esotico nuovo, ma semplicemente un qubit superconduttore “tradizionale” che utilizza un materiale diverso, quindi può essere integrato facilmente nei computer quantistici esistenti e utilizzato dal software di calcolo quantistico attuale.

“Scambiare i componenti di Princeton con il miglior processore quantistico di Google, chiamato Willow, consentirebbe di farlo funzionare 1.000 volte meglio.

I benefici del qubit di Princeton crescono esponenzialmente con l’aumento della dimensione del sistema, quindi aggiungere più qubit porterebbe vantaggi ancora maggiori.”

Andrew Houck, decano di ingegneria di Princeton

Ciò significa che il design di Princeton potrebbe consentire a un ipotetico computer a 1.000 qubit di funzionare circa 1 miliardo di volte meglio.

Ancora meglio, l’uso di tantalio e silicio fa sì che il metodo di produzione sia compatibile con quelli già impiegati dall’industria dei semiconduttori, rendendo la produzione di massa una tappa molto più facile da raggiungere rispetto a una tecnologia completamente nuova.

Questa ricerca sembra indicare che i chip quantistici in silicio, di cui abbiamo parlato in precedenza, siano probabilmente la direzione giusta per l’industria del calcolo quantistico.

Insieme a migliori sorgenti di luce quantistica, chip ibridi quantistici‑fotonic, e la possibilità di trasportare informazioni quantistiche insieme al normale flusso di dati telecom, questi passi verso computer quantistici molto più grandi mostrano che la tecnologia sta rapidamente raggiungendo la maturità commerciale.

Investire nell’Innovazione del Calcolo Quantistico

1. Alphabet Inc.

Google è molto attiva nel campo del calcolo quantistico, soprattutto attraverso il Google Quantum AI lab e il Quantum AI campus a Santa Barbara.

Il computer quantistico di Google ha fatto storia nel 2019 quando ha affermato di aver raggiunto la “supremazia quantistica” con la sua macchina Sycamore. La macchina ha eseguito un calcolo in 200 secondi che avrebbe richiesto a un supercomputer convenzionale 10.000 anni.

Questo è ora oscurato dalle prestazioni del suo nuovo chip, chiamato Willow. È il primo chip di calcolo quantistico con un tasso di errore sufficientemente basso da far sì che, aggiungendo più qubit, l’errore diminuisca. Lo rende il primo design di chip quantistico realmente scalabile.

Ma forse il più grande contributo di Google sarà nel software, un’attività in cui ha un impressionante curriculum, in realtà migliore rispetto all’hardware (Search, G Suite, Android, ecc.).

Già ora, il Quantum AI di Google mette a disposizione una suite di software progettata per assistere gli scienziati nello sviluppo di algoritmi quantistici.

Promuove inoltre apertamente “ricercatori, ingegneri e sviluppatori a unirsi a noi in questo viaggio consultando il nostro software open source e le risorse educative, incluso il nostro nuovo corso su Coursera, dove gli sviluppatori possono apprendere le basi della correzione degli errori quantistici e aiutarci a creare algoritmi che risolvano i problemi del futuro.”

Grazie a questo approccio aperto, Google è ora leader sia nell’hardware sia nelle soluzioni cloud. Google potrebbe essere una delle aziende che stabiliscono gli standard del software e della programmazione quantistica, conferendole una posizione privilegiata per guidare l’evoluzione futura del settore.

Nel frattempo, le soluzioni AI, incluso il veicolo a guida autonoma di Waymo, potrebbero diventare il nuovo motore di ricavi per Alphabet, che mantiene ancora una posizione dominante nei settori della ricerca e della pubblicità.

Puoi saperne di più sulle attività di Google non legate al quantistico, in particolare su pubblicità e AI, nel nostro rapporto dedicato di dicembre 2024.

Ultime Notizie e Sviluppi sulle Azioni di Alphabet (GOOGL)

Studio di Riferimento:

^{1. Bland, M.P., Bahrami, F., Martinez, J.G.C. et al. Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits. Nature 647, 343–348 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4}