Si avvicina a grandi passi il computer quantistico

Un gruppo di ricercatori coordinati da due ingegneri australiani ha potuto realizzare il primo bit quantistico operativo basato su unsingolo atomo di silicio, preparando così la strada alla realizzazione, seppur per un domani non vicinissimo, dei computer quantistici del futuro. I risultati della ricerca, condotta presso l'University of New South Wales (UNSW) sono stati pubblicati sulla rivista Nature e sottolineano in modo particolare come sia sato possibile leggere e scrivere informazioni utilizzando lo spin degli elettroni di un singolo atomo di fosforo integrato in un chip di silicio.

Il professor Andrew Dzurak, coordinatore della ricerca assieme al dottor Andrea Morello, ha commentato: "Per la prima volta abbiamo dimostrato la possibilità per rappresentare e manipolare i dati mediante lo spin per formare un bit quantistico, o "qubit", l'unità base di un computer quantistico. Si tratta di un passo avanti verso la realizzazione di un computer quantistico in silicio basato su atomi singoli. E' un grande traguardo scientifico - controllare la natura al livello fondamentale - e ha profonde implicazioni per il computer quantistico"

I computer quantistici consentono di affrontare e risolvere problemi complessi che attualmente è impossibile poter gestire anche sui più performanti supercomputer del mondo. Spiega Morello: "Si tratta di problemi data-intensive, come il cracking di codici di crittografia, la ricerca database e la modellazione di molecole biologiche e farmaci".

Nel modello computazionale alla base degli attuali computer, l'informazione è rappresentata in forma binaria dal bit, che può assumere solamente due valori, 0 o 1, corrispondenti ai due stati di "acceso" e "spento" di un transistor. Nel caso della computazione quantistica è la direzione spin, o l'orientamento magnetico di un singolo elettrone, a rappresentare i due valori. Nel mondo della fisica quantistica, però, le particelle subatomiche possono esistere in due stati differenti nel medesimo momento secondo il principio della superposizione quantistica. E' questa particolarità che consente alla computazione quantistica di gettare le basi alla realizzazione di sistemi in grado di effettuare elaborazioni particolarmente complesse, attualmente non affrontabili sui sistemi di oggi.

L'UNSW ha, nel corso degli anni passati, cercato di portare avanti un'approccio che prevedesse l'impiego del silicio anche nel contesto della computazione quantistica, poiché le proprietà di questo materiale sono ben conosciute nel mondo della tecnologia, grazie al risultato dell'investimento di migliaia di miliardi di dollari in attività di ricerca e sviluppo da parte delle più importanti realtà del mondo della tecnologia. Il silicio, in particolare, è caratterizzato da spin con tempi di coerenza piuttosto estesi, permettendo così una maggior persistenza dei dati codificati tramite lo spin rispetto a quanto avviene su altri materiali, una caratteristica che rende più agevole la possibilità di eseguire calcoli corretti.

Il lavoro del team di ricerca è di particolare spessore poiché ha permesso di individuare le modalità per regolare lo stato dello spin (ovvero scrivere l'informazione) e di misurare lo stato di spin (ovvero leggere l'informazione). Quanto realizzato dal team è il prosieguo di un lavoro già pubblicato su Nature nel corso del 2010, dove lo stesso gruppo di ricercatori dimostrò la possibilitò di leggere lo stato dello spin elettronico. Ora, riuscendo a trovare un modo per "scrivere" lo spin, hanno portato a compimento entrambi gli elementi necessari per poter operare un bit quantistico.

Il nuovo risultato è stato raggiunto impiegando un campo a microonde per ottenere un controllo senza precedenti su un elettrone collegato ad un singolo atomo di fosoforo, il quale è stato collocato in prossimità di un transistor in silicio progettato specificatamente per lo scopo. Jarryd Pla, studente PhD all'UNSW nonché principale autore della pubblicazione ha dichiarato: "Siamo stati capaci di isolare, misurare e controllare un elettrone appartenente ad un singolo atomo, tutto utilizzando un dispositivo realizzato in maniera molto simile ai chip in silicio di oggi".

I ricercatori lavoreranno ora per abbinare tra loro coppie di questi dispositivi per creare un gate logico a due bit, l'unità di processazione base di un computer quantistico. Nonostante la costruzione di un intero comunpter quantistico resta una ambiziosa sfida ingegneristica, il risultato di questo lavoro consente di gettare le prime vere fondamenta concrete a questa impresa.