Le Onde Sonore Offrono una Svolta nella Memorizzazione delle Informazioni Quantistiche

Il calcolo quantistico promette una velocità senza precedenti nella risoluzione di problemi complessi per guidare scoperte nei campi dell’IA, della finanza, della logistica, della scienza dei materiali, della scoperta di farmaci e della crittografia.

Ma sebbene il potenziale della tecnologia sia enorme, realizzarlo non è facile, poiché nella pratica si è dimostrato davvero difficile far funzionare i computer quantistici e usarli per risolvere problemi del mondo reale.

Il calcolo quantistico è ancora una tecnologia sperimentale, con i ricercatori lavorando per superare gli ostacoli per eseguire simulazioni accurate di fenomeni a livello quantistico. Uno dei principali problemi qui è la memorizzazione delle informazioni per un lungo periodo.

Questo è perché, sebbene i qubit superconduttori possiedano grandi capacità di elaborare informazioni quantistiche, hanno tempi di coerenza piuttosto limitati.

La coerenza è la capacità di un sistema quantistico di mantenere la relazione tra diversi stati in una sovrapposizione. Questa proprietà fondamentale consente ai qubit di esistere in una combinazione lineare di stati di base, abilitando il parallelismo e l’interferenza che sono il nucleo del calcolo quantistico.

Essenziale per eseguire operazioni quantistiche, la coerenza è piuttosto fragile e può perdersi facilmente anche attraverso piccole interazioni con l’ambiente.

Se non c’è coerenza, il comportamento quantistico viene perso dal qubit, rendendo i calcoli quantistici privi di senso. Nel frattempo, la decoerenza è il processo mediante il quale la coerenza viene persa, e continua a rappresentare una grande sfida nella costruzione e gestione dei computer quantistici.

Ora, i qubit superconduttori sono un modo fisico per realizzare i qubit e si basano sul mantenimento della coerenza quantistica per funzionare. Ma naturalmente, la decoerenza rimane la loro più grande sfida.

Qubit superconduttori sono circuiti minuscoli realizzati con materiali specifici, che sfruttano fenomeni quantistici come la sovrapposizione e l’entanglement per eseguire calcoli. I materiali usati per realizzare un circuito sono raffreddati quasi allo zero assoluto per renderli superconduttori, il che significa che possono condurre elettricità senza resistenza.

Mentre questi qubit superconduttori sono notevoli per i calcoli rapidi, faticano a memorizzare le informazioni per periodi prolungati.

Un’interfaccia tra fotoni e fononi, tuttavia, potrebbe consentire alle informazioni quantistiche di essere memorizzate in oscillatori meccanici a lunga durata. Un team del Caltech ha realizzato proprio questo; hanno introdotto una piattaforma che si basa su forze elettrostatiche in strutture nanoscalari per ottenere un forte accoppiamento tra un qubit e un oscillatore nanomeccanico.

Il tempo di decadimento dell’energia (T1) è di circa 25 ms, il che supera quelli realizzati nei circuiti superconduttori integrati.

Per esplorare le radici della decoerenza e ridurne l’impatto, il team ha utilizzato operazioni quantistiche. L’uso di sequenze di decoupling dinamico a due impulsi li ha aiutati a raggiungere un tempo di coerenza più lungo (T2) di 1 ms, un’estensione rispetto ai 64 μs.

Le scoperte dello studio mostrano che nei dispositivi superconduttori, gli oscillatori meccanici possono fungere da memorie quantistiche, con il potenziale di essere usati nel calcolo quantistico, nel sensing e nella trasduzione.

Come le Onde Sonore Memorizzano gli Stati Quantistici più a Lungo

I computer convenzionali come laptop e telefoni memorizzano le informazioni sotto forma di bit.

I bit sono l’unità più piccola di informazione digitale, che sono pezzi fondamentali di logica che assumono un singolo valore binario di zero o uno.

I computer quantistici, nel frattempo, possono avere uno stato che è sia zero sia uno allo stesso tempo, noto come sovrapposizione, ed è questo ciò che sta alla base della promessa del calcolo quantistico di risolvere problemi non gestibili per i nostri computer classici.

Molti dei computer quantistici esistenti si basano su sistemi elettronici superconduttori, dove gli elettroni fluiscono senza alcuna resistenza a temperature estremamente basse. In questi sistemi, quando la natura quantomeccanica degli elettroni scorre attraverso risonatori, creano qubit superconduttori.

Questi qubit sono ottimi nell’eseguire le operazioni logiche richieste per il calcolo. Ma non sono davvero bravi a memorizzare le informazioni, che sono rappresentate da descrittori matematici di specifici sistemi quantistici.

Per aumentare i tempi di memorizzazione degli stati quantistici, gli ingegneri hanno cercato di costruire ‘memorie quantistiche’ per i qubit superconduttori.

Un team di scienziati del Caltech ha adottato un approccio ibrido a queste memorie quantistiche.

L’informazione elettrica è stata efficacemente convertita in suono usando questo approccio. Per tradurre le informazioni quantistiche in onde sonore, hanno usato un piccolo dispositivo che funziona come una miniatura di una forchetta di accordatura.

Questo ha permesso alla durata degli stati quantistici di estendersi fino a trenta volte più a lungo rispetto ad altre tecniche, ponendo le basi per computer quantistici scalabili e pratici con la capacità di non solo calcolare ma anche ricordare.

“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 al Caltech

Sostenuto da finanziamenti della National Science Foundation e dell’Air Force Office of Scientific Research, lo studio è stato guidato da studenti laureati del Caltech Alkim Bozkurt e Omid Golami e è stato pubblicato¹ sulla rivista Nature Physics.

Ha dettagliato la fabbricazione di un qubit superconduttore su un chip, che è stato poi collegato a un piccolo dispositivo definito oscillatore meccanico.

Un oscillatore meccanico è un sistema che mostra un moto oscillatorio. È essenzialmente una mini forchetta di accordatura, che, nel caso di questo studio, è composta da piastre flessibili. Queste piastre vengono vibrate usando onde sonore a frequenze gigahertz (GHz).

Quando il team ha posto una carica elettrica su quelle piastre flessibili, queste potevano interagire con segnali elettrici che trasportavano informazioni quantistiche, consentendo la loro trasmissione nel dispositivo per la memorizzazione come “memoria” e poi la trasmissione fuori o il “ricordo” successivo.

I ricercatori hanno misurato quanto tempo esattamente ci è voluto perché l’oscillatore perdesse il suo contenuto quantistico una volta che l’informazione è entrata nel dispositivo.

“Si scopre che questi oscillatori hanno una durata circa 30 volte più lunga rispetto ai migliori qubit superconduttori disponibili.”

– Mirhosseini

Questo metodo di costruzione di una memoria quantistica ha vari vantaggi rispetto ad altre tecniche. Le onde acustiche, ad esempio, viaggiano molto più lentamente delle onde elettromagnetiche, consentendo così dispositivi più compatti.

Le onde elettromagnetiche (EM) sono onde trasversali di campi elettrici e magnetici oscillanti che trasportano energia attraverso lo spazio. Sono prodotte dall’accelerazione di particelle cariche e comprendono uno spettro che include onde radio, microonde, infrarossi, luce visibile, ultravioletti, raggi X e raggi gamma.

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Tutte le onde EM viaggiano alla velocità della luce nel vuoto e non richiedono un mezzo per propagarsi.

Nel frattempo, le onde acustiche sono onde meccaniche, come le onde sonore, che trasmettono energia attraverso un mezzo come solido, liquido o gas facendo vibrare, comprimere ed espandere le particelle del mezzo. Queste onde sono caratterizzate da proprietà come frequenza, ampiezza e lunghezza d’onda. Le onde acustiche comprendono una gamma di frequenze, inclusi infrasuoni e ultrasuoni.

Poiché le vibrazioni meccaniche, a differenza delle onde EM, non si propagano nello spazio libero, l’energia non fuoriesce dal sistema e può essere più fortemente confinata all’interno di un mezzo, consentendo tempi di memorizzazione più lunghi e mitigando scambi energetici indesiderati tra dispositivi vicini.

Questi vantaggi offrono la possibilità di molte di queste forchette di accordatura di essere incluse in un unico chip, fornendo un modo scalabile per le memorie quantistiche.

Lo studio, secondo Mirhosseini, mostra un’interazione minima tra onde acustiche ed elettromagnetiche necessaria per sondare il valore di questo sistema ibrido da usare come elemento di memoria.

“Affinché questa piattaforma sia davvero utile per il calcolo quantistico, è necessario poter inserire dati quantistici nel sistema e prelevarli molto più velocemente. E ciò significa che dobbiamo trovare modi per aumentare il tasso di interazione di un fattore da tre a dieci rispetto a ciò che il nostro sistema attuale è in grado di fare,” ha detto Mirhosseini. E il team ha idee su come realizzare ciò.

Hardware e Software Quantistici: Percorso verso l’Uso Commerciale

Il nuovo dispositivo creato dagli scienziati del Caltech è in sviluppo da qualche tempo.

Un paio di anni fa, nel loro lavoro precedente, il team ha mostrato che il suono, in particolare i fononi, che sono particelle individuali di vibrazione simili a come i fotoni sono, potrebbero fornire un modo semplice per memorizzare informazioni quantistiche.

At the time, Mirhosseini’s group ha mostrato il nuovo metodo in laboratorio, dove hanno esplorato i fononi a causa della relativa comodità di costruire piccoli dispositivi che possono memorizzare queste onde meccaniche.

Il team ha testato i dispositivi in esperimenti che sembravano adatti per l’abbinamento con i qubit superconduttori, poiché operano alle stesse frequenze GHz molto alte.

Humans hear in the hertz to kilohertz range (up to ~20 kHz), whereas the devices operate at gigahertz (billions of cycles per second)—around 50,000× higher in frequency.

I dispositivi testati avevano anche lunghi tempi di vita e funzionavano bene alle basse temperature richieste per preservare gli stati quantistici con i qubit superconduttori.

Come ha osservato Mirhosseini all’epoca, altri studi hanno esaminato i piezoelettrici, un tipo speciale di materiale, come modo per convertire l’energia meccanica in energia elettrica nelle applicazioni quantistiche. Ha aggiunto:

“Questi materiali, tuttavia, tendono a causare perdite di energia per le onde elettriche e sonore, e la perdita è un grande killer nel mondo quantistico.”

La nuova tecnica sviluppata dal team del Caltech, al contrario, non si basa sulle proprietà particolari dei materiali e, come tale, è adatta ai dispositivi quantistici basati su microonde consolidati.

Costruire dispositivi di memorizzazione efficaci con dimensioni compatte è un’altra sfida per chi esplora le applicazioni quantistiche.

Questa sfida è anche affrontata dal nuovo metodo, che “consente la memorizzazione di informazioni quantistiche da circuiti elettrici per durate due ordini di grandezza più lunghe rispetto ad altri dispositivi meccanici compatti,” ha detto l’autore principale dello studio Bozkurt, studente laureato nel gruppo di Mirhosseini.

Mentre la piattaforma a onde sonore del Caltech è promettente, è solo una parte di uno sforzo di ricerca molto più ampio che si svolge in tutto il mondo attraverso le istituzioni. Gli scienziati stanno testando metodi diversi per superare le sfide dei computer quantistici. 

For instance, researchers from the University of Southern California have rivolto alla matematica².

Stanno usando i neglecton per risolvere alcuni dei problemi con i qubit topologici. Questa classe di particelle teoriche, che sono chiamate così per come sono state derivate da teorie trascurate matematiche, potrebbe aprire una nuova via verso la realizzazione sperimentale di computer quantistici topologici universali.

“Il mio obiettivo è presentare il caso più convincente possibile ad altri ricercatori che il quadro non semisemplice non è solo valido ma un approccio entusiasmante per comprendere meglio la teoria quantistica.”

– Co-autore Aaron Lauda

Nel frattempo, in un altro approccio, gli scienziati stanno controllando la luce emessa dai punti quantistici, il che può portare a tecnologie quantistiche più economiche, più veloci e, naturalmente, più pratiche.

For this, the la collaborazione di ricerca ha trovato un nuovo metodo³ che si basa sull’eccitazione stimolata a due fotoni, consentendo ai punti quantistici di emettere flussi di fotoni in stati di polarizzazione distinti senza necessità di hardware di commutazione elettronica. Quando testati, i ricercatori sono stati in grado di produrre con successo eccellenti stati a due fotoni mentre mantenevano notevoli proprietà di singolo fotone.

“Ciò che rende questo approccio particolarmente elegante è che abbiamo spostato la complessità dai costosi componenti elettronici che causano perdite dopo l’emissione del singolo fotone alla fase di eccitazione ottica, ed è un passo significativo in avanti nel rendere le sorgenti di punti quantistici più pratiche per le applicazioni del mondo reale.”

– Ricercatore principale, Vikas Remesh

Then there’s the team from The Grainger College of Engineering at the University of Illinois Urbana-Champaign, which has presentato un design modulare ad alte prestazioni⁴ per processori quantistici superconduttori con ~99% di fedeltà. 

L’architettura modulare, a differenza dei design monolitici restrittivi, offre una maggiore scalabilità, miglioramenti più facili e resilienza alle incoerenze.

While most efforts clearly continue to focus on the hardware part of quantum computers, a shift is now being seen towards software as people believe the technology to be “sul punto di diventare commercialmente viable,” and thus needing something useful to be done with them.

A riguardo, la società di algoritmi quantistici Phasecraft ha raccolto 34 milioni di dollari da diversi sostenitori, inclusa la società di investimento collegata al gigante farmaceutico danese Novo Nordisk (NVO ). 

Gli algoritmi di Phasecraft, il suo CEO, Ashley Montanaro, crede, sarà in grado di eseguire calcoli “scientificamente importanti” entro la “prossima primavera,” e alcune applicazioni commercialmente utili potrebbero essere disponibili “entro i prossimi due anni”.

C’è ora un crescente interesse per gli algoritmi. Recentemente, un ricercatore di Google ha affermato di aver ideato una riduzione di 20 volte nella scala di un computer quantistico necessaria per eseguire l’algoritmo di Shor, che può essere usato per violare le forme di crittografia più diffuse oggi. 

In response, developer Hunter Beast has introdotto BIP 360 in an attempt to make Bitcoin (BTC) quantum computing resistant.

Nel frattempo, la società di calcolo quantistico Norma ha convalidato le prestazioni dei suoi algoritmi di AI quantistica per lo sviluppo di farmaci usando NVIDIA (NVDA ) CUDA-Q, osservando velocità computazionali circa 73 volte più rapide.

Investire nel Calcolo Quantistico

Molti grandi nomi stanno conducendo ricerche nel calcolo quantistico superconduttivo, e ciò include IBM (IBM ), Intel (INTC ), e molti altri. Ma oggi, esamineremo Honeywell International (HON ), che è fortemente coinvolta nel calcolo quantistico attraverso la sua partecipazione di maggioranza in Quantinuum. 

Quantinuum, una Honeywell International (HON ) Società

Quantinuum è una società di calcolo quantistico fondata nel 2021 dalla fusione di Cambridge Quantum e Honeywell Quantum Solutions. Per accelerare lo sviluppo di computer quantistici tolleranti ai guasti, ha ottenuto finanziamenti da investitori come JPMorgan Chase.

Lo scorso anno, ha dimostrato i qubit logici più affidabili mai registrati. Quantinuum ha applicato il sistema di virtualizzazione dei qubit di Microsoft , con diagnostica e correzione degli errori, al suo hardware a trappola ionica per eseguire più di 14.000 esperimenti individuali senza alcun errore. 

Last month, Quantinuum lanciato due nuovi componenti software open source, inclusi Guppy, un linguaggio ospitato all’interno di Python, descritto dal suo CEO, Rajeeb Hazra, come “un cambiamento di paradigma per gli sviluppatori,” e un emulatore chiamato Selene, che è un “gemello digitale” che imita il comportamento quantistico per i programmatori per testare e fare debug del loro codice.

La nuova piattaforma full-stack arriva in preparazione per il prossimo lancio del computer quantistico di nuova generazione Helios di Quantinuum.

Quindi, la società sta perseguendo progressi sia nell’hardware che nel software quantistico con le sue attività di ricerca e commerciali mirate a IA, cybersicurezza, simulazione chimica e altre applicazioni.

Attraverso Quantinuum, Honeywell ha avanzato i computer quantistici a ioni intrappolati, che usano ioni intrappolati elettromagneticamente come qubit per calcoli ad alta fedeltà, ai clienti in vari settori, inclusi sanità, finanza e utilities.

La società operativa integrata è principalmente coinvolta in tre megatrend, che sono automazione, aviazione e transizione energetica. Nel frattempo, serve attraverso alcuni segmenti chiave:

• Tecnologie Aerospaziali
• Automazione Industriale
• Automazione Edilizia ed Energia
• Soluzioni di Sostenibilità

Con una capitalizzazione di mercato di 139,36 miliardi di dollari, le azioni HON, al momento della scrittura, sono scambiate a 218,40 dollari, in calo del 2,83% YTD. Ha un EPS (TTM) di 8,79 e un P/E (TTM) di 24,96. Il rendimento del dividendo, nel frattempo, è del 2,06%.

Per quanto riguarda i dati finanziari, Honeywell ha riportato vendite di 10,4 miliardi di dollari per il secondo trimestre del 2025. L’utile per azione è stato di 2,45 dollari, e l’EPS rettificato era di 2,75 dollari.

Durante questo periodo, la società ha completato una vendita del business PPE da 1,3 miliardi di dollari, chiuso l’acquisizione di Sundyne da 2,2 miliardi di dollari, e annunciato un’acquisizione da 1,8 miliardi di sterline del Business delle Tecnologie dei Catalizzatori di Johnson Matthey. La società ha anche riacquistato 1,7 miliardi di dollari delle proprie azioni.

Il CEO Vimal Kapur ha sottolineato l’importanza di fornire “risultati eccezionali” sia con la crescita organica sia con l’EPS rettificato che supera le previsioni nonostante le macroeconomiche imprevedibili.

“Con l’Automazione Edilizia in testa, tre segmenti su quattro hanno registrato una crescita delle vendite superiore al 5% nel trimestre, dimostrando la potenza del nostro sistema operativo Accelerator di adattarsi rapidamente e guidare la crescita anche quando le condizioni di mercato cambiano,” ha detto Kapur sottolineando “risultati promettenti dal nostro maggiore focus sull’innovazione di nuovi prodotti, che ha ulteriormente supportato la crescita del nostro record di backlog.”

Conclusione

Il calcolo quantistico può portare a significativi progressi in IA, sanità, scienza dei materiali, cybersicurezza e altre industrie. Ma il progresso di questa tecnologia dipende non solo dalle prestazioni dei qubit ma anche dalla capacità di memorizzare le informazioni quantistiche in modo affidabile.

La piattaforma del Caltech offre un piano per raggiungere questo obiettivo. Integrando calcolo e memoria in un unico chip, il nuovo sviluppo sta avvicinando il campo alle applicazioni del mondo reale.

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Riferimenti:

1. Bozkurt, A. B., Golami, O., Yu, Y., Tian, H., & Mirhosseini, M. (2025). Una memoria quantistica meccanica per fotoni a microonde. Nature Physics, (advance online publication), published 13 agosto 2025. Received 10 gennaio 2025; accepted 17 giugno 2025. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
2. Iulianelli, F., Kim, S., Sussan, J., et al. Calcolo quantistico universale usando anyon di Ising da una teoria quantistica topologica non semisemplice. Nature Communications, 16, 6408, published 05 agosto 2025. Received 13 ottobre 2024; accepted 18 giugno 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8
3. Karli, Y., Avila Arenas, I., Schimpf, C., et al. Generazione passiva di stati a due fotoni demultiplexati da un punto quantistico. npj Quantum Information, 11, 139, published 11 agosto 2025. Received 10 aprile 2025; accepted 25 luglio 2025. <a class="decorated-link" style="font-size: