I computer quantistici realizzati con il silicio diventano un po' più reali(stici)

Tre diversi gruppi di ricerca hanno dimostrato indipendentemente la fattibilità dell'uso di chip di silicio per condurre calcoli a livello quantistico. I tre gruppi hanno infatti raggiunto livelli di fedeltà superiori al 99% nei propri test, dimostrando che i chip in silicio possono essere usati per la costruzione di un computer quantistico in grado di effettuare la correzione degli errori.

Il silicio come alternativa promettente per i computer quantistici

Tutti i principali dispositivi elettronici prodotti al giorno d'oggi si basano sul silicio e, stando a quanto scoperto da tre gruppi di ricerca, tale materiale si rivela promettente anche per la realizzazione di computer quantistici. I gruppi dell'Università del Nuovo Galles del Sud, in Australia; di Delft, nei Paesi Basi; e dell'Istituto RIKEN, in Giappone, hanno dimostrato che è possibile ottenere chip basati sul silicio (attenzione, però: non qubit in silicio) con un alto livello di fedeltà, sufficiente ad aprire le porte alla correzione degli errori.

I tre gruppi hanno usato chip differenti: in Australia è stato usato un chip a tre qubit, composti da due atomi di fosforo e un elettrone impiantati in un sostrato di silicio; nei Paesi Bassi e in Giappone è stato usato lo spin degli elettroni in quantum dot formati in strati di silicio e lega di silicio e germanio. Il gruppo australiano ha dimostrato livelli di fedeltà fino al 99,95% per operazioni sul singolo qubit e del 99,37% su due qubit, mente quello olandese è arrivato rispettivamente al 99,87% e al 99,65% e quello giapponese al 99,84% e al 99,51%.

La "fedeltà", nell'ambito dei computer quantistici, è la capacità del qubit di mantenere le informazioni ed effettuare i calcoli senza errori: è, di fatto, una percentuale delle misurazioni in cui il risultato è quello atteso. Nei chip quantistici basati sul silicio la fedeltà è sempre stata piuttosto bassa, fatto che ha reso difficile ipotizzare di implementare la correzione degli errori semplicemente per la velocità eccessiva nel verificarsi degli stessi. Il nuovo risultato ottenuto dai ricercatori è particolarmente importante perché, come afferma il professor Andrea Morello (nell'immagine qui sotto, al centro), a guida del gruppo australiano, "quando gli errori sono così rari, diventa possibile rilevarli e correggerli quando avvengono. Ciò mostra che è posibile costruire computer quantistici che hanno una scala, e una potenza di calcolo, sufficiente per gestire calcoli significativi."

I risultati del gruppo guidato da Morello, pubblicati in un articolo sul sito dell'Università del Nuovo Galles del Sud, sono stati ottenuti usando due atomi di fosforo impiantati nel sostrato di silicio. I due atomi possono comunicare tramite un elettrone, al quale sono entrambi collegati, e in questo modo è possibile effettuare operazioni logiche tra i due nuclei, sfruttandone lo spin nucleare per creare un qubit. Il problema maggiore in questo modello sta proprio nell'uso dell'elettrone per far comunicare i due nuclei, ma sembra una difficoltà superabile.

Usando questo metodo è teoricamente possibile costruire chip più densi di quelli attualmente usati da colossi del settore come IBM e Google, che impiegano i transmoni: tali dispositivi richiedono frigoriferi criogenici con temperature prossime allo zero assoluto, fatto che crea non poche sfide ingegneristiche e che sta già portando alcuni produttori a parlare di sistemi a più chip. Di contro, i chip costruiti con il silicio sarebbero più piccoli e più facili da gestire.

Un futuro che (forse) arriverà, ma la strada è lunga

Nonostante le promesse, però, i chip basati sul silicio sono ancora ben lontani dalle alternative: i transmoni di IBM hanno superato la quota simbolica di 100 qubit, dunque appena due qubit non appaiono come un risultato significativo nel panorama attuale. Purtuttavia, gli studi dei tre gruppi di ricerca aprono le porte alla creazione di chip con un maggior numero di qubit e con un numero di questi in grado, in via puramente (e, per ora, esclusivamente) teorica, di crescere meglio delle alternative. Un ulteriore vantaggio del silicio è quello dell'amplissima conoscenza che si ha di questo materiale e delle sue lavorazioni, nonché di tecniche di produzione già molto affinate.

Bisognerà attendere per capire se queste promesse di scalabilità saranno mantenute o meno.