Il Calcolo Quantistico Si Diffonde: Dalle Vacanze di Diamante ai Bus di Elettroni, Tutti Vogliono un Qubit

Se segui le notizie sul calcolo quantistico abbastanza a lungo, può iniziare a sembrare che qualsiasi sistema quantistico in grado di alternare tra due stati energetici ben separati possa essere usato come qubit. Atomi, ioni, fotoni, elettroni e dispositivi artificiali hanno tutti i loro sostenitori. Una delle cose chiave che attira i sostenitori è la capacità della tecnologia di scalare. Avremo bisogno di molti qubit di alta qualità per iniziare a fare calcoli complessi, e la capacità di qualsiasi tecnologia di portarci lì è oggetto di dibattito.

Così, anche se alcune tecnologie ora possono supportare migliaia di qubit, alcuni concorrenti stanno ancora lavorando su una manciata di qubit - le aziende dietro di loro sono convinte di avere il potenziale per scalare più efficacemente.

Una di queste tecnologie coinvolge punti quantici che trattengono un singolo elettrone. Il loro vantaggio è che possiamo fabbricarli usando la stessa tecnologia che usiamo per costruire processori tradizionali, un approccio che si è dimostrato scalabile. Questa settimana sono stati pubblicati due nuovi articoli che descrivono diversi modi di usare punti quantici, uno dei quali era abbastanza attraente che IBM ha comprato l'azienda che lo ha sviluppato. Separatamente, un'altra azienda ha rilasciato un processore che mostra 100 singoli elettroni trattenuti in difetti del diamante, una tecnologia che non era ovvio potesse scalare.

La prima notizia arriva da una pubblicazione su Nature di un'azienda chiamata HRL Laboratories, discendente del programma di ricerca lanciato da Howard Hughes. HRL utilizza punti quantici fabbricati, una tecnologia distinta dai punti usati nei display, anche se si basa su alcuni degli stessi principi fisici. Entrambi gli approcci usano una struttura che intrappola gli elettroni in una regione più piccola della lunghezza d'onda dell'elettrone. Nei display, questo permette di controllare la lunghezza d'onda emessa dal materiale.

Per i qubit, le trappole sono molto più piccole e servono a trattenere un singolo elettrone in posizione. Fondamentalmente, possono essere fabbricate; con il cablaggio giusto, le interazioni elettromagnetiche possono intrappolare un singolo elettrone in una piccola zona di silicio. Una volta intrappolato, lo spin dell'elettrone, che può essere su, giù o una sovrapposizione dei due, può essere usato come qubit. Mentre questa tecnologia può scalare facilmente - siamo molto bravi a mettere cablaggi nel silicio su larga scala - gli spin degli elettroni sono difficili da mantenere stabili e sono tipicamente controllati tramite microonde, richiedendo un sistema di controllo separato.

Ma "tipicamente" non significa "sempre", e HRL descrive una tecnologia diversa. Richiede tre punti quantici separati, ciascuno contenente un elettrone, con l'elettronica circostante che controlla quanto gli spin di questi tre elettroni possono interagire. Questo è fondamentale perché, in certe condizioni, due elettroni non possono avere lo stesso spin. Questo spiega perché gli orbitali atomici si riempiono come fanno, con ogni livello energetico che contiene solo una coppia, uno spin-up e l'altro spin-down. Permettere loro di interagire può alterare i loro spin.

Per eseguire operazioni su questo tipo di qubit, basta controllare quali elettroni interagiscono e in che misura. Questo è controllato elettronicamente, permettendo di eliminare del tutto le microonde. Tutto è gestito tramite cablaggio, eliminando la necessità di molti cavi per microonde nel sistema di refrigerazione che mantiene l'hardware vicino allo zero assoluto.

HRL dedica gran parte dell'articolo a descrivere il suo sistema di controllo, che si trova a un livello intermedio di refrigerazione e consiste in un processore tradizionale ottimizzato per basse temperature e basso consumo, consumando meno di 3,5 watt nonostante sia fabbricato con un processo a 130 nm. Le istruzioni per operare i qubit vengono compilate altrove, poi caricate nel controller, dopodiché opera autonomamente. Le comunicazioni con il chip che contiene i qubit sono gestite da un cavo a nastro superconduttore.

Il sistema descritto da HRL aveva 18 qubit, e l'azienda ha eseguito un semplice codice di correzione degli errori, dimostrando un tasso di errore logico inferiore all'1%. Questo è ben al di sotto di quanto ottenuto con altre tecnologie, ma è una validazione importante.