I qubit al millisecondo segnano una svolta nella tecnologia quantistica

Svolta nei qubit superconduttori su scala millisecondaria

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, necessitano 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, sebbene 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 ottenuto. Hanno creato un tipo di qubit superconduttore in grado di mantenere la coerenza per oltre un millisecondo, 3 volte più a lungo del miglior risultato mai registrato.

Hanno pubblicato le loro scoperte su Nature¹, sotto il titolo “Durata della vita in millisecondi e tempi di coerenza nei qubit transmon 2D".

Il limite di coerenza del qubit

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

In condizioni particolari, come quelle ultra-fredde, la vita di un qubit può durare più a lungo. Tuttavia, una coerenza sufficientemente lunga rappresenta un limite importante per la maggior parte dei computer quantistici odierni, portando a errori di calcolo che non solo riducono la capacità di calcolo totale, ma non possono essere facilmente compensati con aggiornamenti software.

Pertanto, determinare quale materiale sia in grado di mantenere la coerenza più a lungo è un passo avanti fondamentale che deve essere compiuto prima di raggiungere la fase commerciale per l'industria del calcolo quantistico.

"La vera sfida, ciò che ci impedisce di avere oggi dei computer quantistici utili, è che si costruisce un qubit e le informazioni non durano a lungo.

Questo è il prossimo grande passo avanti."

Andrew Houck, preside della facoltà di ingegneria di Princeton

Come i ricercatori hanno esteso la coerenza dei qubit transmon

I ricercatori hanno utilizzato lo stesso tipo di qubit superconduttori utilizzati da aziende come Google o IBM nei loro computer quantistici, tqubit ransmon.

I qubit Transmon hanno il vantaggio di essere ad alta fedeltà (fedeltà del gate a singolo qubit superiore al 99.9%), di poter essere prodotti su larga scala e con tempi di coerenza elevati pari a 0.1 millisecondi.

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

Quindi, quando i ricercatori di Princeton hanno annunciato di essere riusciti a creare un qubit della durata media di 1.68 ms, si è trattato di un miglioramento enorme.

Fonte: Nature

Si tratta di una durata del qubit 3 volte superiore a quella migliore mai creata in laboratorio e 15 volte più forte di quella utilizzata dalle aziende private che sviluppano computer quantistici.

Perché il tantalio e il silicio migliorano la coerenza quantistica

Tantalio che aumenta la coerenza

Per raggiungere questo risultato, i ricercatori hanno utilizzato due diversi miglioramenti del materiale utilizzato.

Per prima cosa, hanno utilizzato un metallo chiamato tantalio come strato di base per aiutare i fragili circuiti a preservare l'energia. Questo perché minuscoli difetti superficiali nascosti nel metallo possono intrappolare e assorbire l'energia durante il movimento.

Ciò è particolarmente problematico quando vengono aggiunti più qubit a un chip: questo tipo di errore si moltiplica al punto da renderlo inutile oltre un certo numero.

La microscopia elettronica a scansione e trasmissione (STEM) è stata utilizzata 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 molto resistente ai processi di pulizia aggressivi utilizzati per rimuovere le impurità.

“Si può mettere il tantalio nell'acido e le sue proprietà non cambiano.”

Faranak Bahrami – Ricerca presso l'Università di Princeton

Coltivare il tantalio direttamente sul silicio è stata una sfida che ha richiesto notevoli sforzi 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.

I ricercatori hanno invece utilizzato silicio di alta qualità (ad alta resistività), un materiale standard comune nell'industria informatica tradizionale.

Nel complesso, questi miglioramenti nei materiali utilizzati in questa piattaforma tantalio-silicio hanno fatto sì che le porte a singolo qubit risultanti raggiungessero una fedeltà del 99.994%.

Dalle innovazioni in laboratorio ai chip quantistici scalabili

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

Poiché il tasso di errore è moltiplicativo, questo tipo di miglioramento aumenta esponenzialmente con le dimensioni del sistema. Di conseguenza, il miglioramento di 10-15 volte del tasso di errore per i singoli qubit ha un effetto molto più significativo su un computer multi-qubit.

È importante sottolineare che un qubit di questo tipo non è un concetto nuovo ed esotico, ma semplicemente un qubit superconduttore "tradizionale" che utilizza un materiale diverso, quindi può essere facilmente integrato nei computer quantistici esistenti ed essere utilizzato dai software di calcolo quantistico esistenti.

"Sostituendo i componenti di Princeton con il miglior processore quantistico di Google, chiamato Willow, gli consentirebbe di funzionare 1,000 volte meglio.

I vantaggi del qubit di Princeton aumentano esponenzialmente con l'aumentare delle dimensioni del sistema, quindi l'aggiunta di più qubit porterebbe benefici ancora maggiori".

Andrew Houck, preside della facoltà di ingegneria di Princeton

Ciò significa che il progetto di Princeton potrebbe consentire a un ipotetico computer da 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 in uso nell'industria dei semiconduttori, rendendo la produzione di massa un traguardo molto più facile da raggiungere rispetto a una tecnologia completamente nuova.

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

Insieme a migliori sorgenti di luce quantistica, chip ibridi quantistici-fotonicie la possibilità di trasportare informazioni quantistiche insieme al normale flusso di dati delle telecomunicazioni, questi passi verso computer quantistici molto più grandi dimostrano che la tecnologia sta rapidamente raggiungendo la maturità commerciale.

Investire nell'innovazione del calcolo quantistico

1. Alfabeto Inc.

Google è molto attiva nel campo dell'informatica quantistica, soprattutto attraverso i suoi Laboratorio di intelligenza artificiale quantistica di Google e campus di intelligenza artificiale quantistica a Santa Barbara.

Il computer quantistico di Google ha fatto la storia nel 2019, quando ha affermato di aver raggiunto la "supremazia quantistica" con la sua macchina Sycamore. La macchina ha eseguito in 200 secondi un calcolo che avrebbe richiesto 10,000 anni a un supercomputer convenzionale.

Questo è ora messo in ombra da le prestazioni del suo chip più recente, chiamato WillowQuesto è il primo chip di calcolo quantistico con un tasso di errore sufficientemente basso: più qubit si aggiungono, minore è l'errore. Questo lo rende il primo chip quantistico scalabile in assoluto.

Ma forse il contributo più grande di Google sarà nel software, un'attività in cui ha una storia impressionante, addirittura migliore che nell'hardware (Ricerca, G Suite, Android, ecc.).

L'intelligenza artificiale quantistica di Google mette già a disposizione una suite di software pensata per assistere gli scienziati nello sviluppo di algoritmi quantistici.

Inoltre, sostiene apertamente “ricercatori, ingegneri e sviluppatori si uniscano a noi in questo viaggio consultando il nostro software open source e risorse educative, tra cui il nostro nuovo corso su Coursera, dove gli sviluppatori possono apprendere gli elementi essenziali della correzione degli errori quantistici e aiutarci a creare algoritmi in grado di risolvere i problemi del futuro."

Grazie a questo approccio aperto, Google è ora leader sia nell'hardware che nelle soluzioni cloud. Google potrebbe essere una delle aziende che definiscono gli standard del software per il calcolo quantistico e della programmazione quantistica, il che le conferisce una posizione privilegiata per guidare la futura evoluzione del settore.

Nel frattempo, le soluzioni di intelligenza artificiale, tra cui l'auto a guida autonoma di Waymo, potrebbero diventare il nuovo motore di fatturato per Alphabet, che detiene ancora una posizione di assoluto predominio nei settori della ricerca e della pubblicità.

Puoi saperne di più sulle attività di Google non correlate alla tecnologia quantistica, in particolare pubblicità e intelligenza artificiale, nel nostro report dedicato di dicembre 2024.

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Studio referenziato:

^{1. Bland, MP, Bahrami, F., Martinez, JGC et al. Durata in millisecondi e tempi di coerenza nei qubit transmon 2D. Nature 647, 343–348 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4}