Sommario
Un importante passo avanti nella corsa verso computer quantistici realmente tolleranti agli errori è stato compiuto da un gruppo di ingegneri del MIT, che ha dimostrato l’accoppiamento luce-materia non lineare più intenso mai ottenuto in un sistema quantistico. Il risultato, pubblicato su Nature Communications, è stato raggiunto grazie a una nuova architettura basata su circuiti superconduttori, e potrebbe consentire letture quantistiche fino a dieci volte più rapide rispetto ai sistemi attuali.
Questa innovazione è fondamentale per superare uno dei principali colli di bottiglia del calcolo quantistico: la lentezza nelle operazioni di lettura dei qubit, che limita il numero di correzioni d’errore possibili prima che il sistema perda coerenza. Il nuovo approccio, ideato da Yufeng “Bright” Ye e dal team guidato dal prof. Kevin O’Brien, potrebbe ridurre drasticamente il tempo necessario per le misurazioni e rendere fattibili calcoli complessi su larga scala.
Quarton coupler: la nuova architettura per il calcolo quantistico ultraveloce
Al centro del risultato c’è il cosiddetto quarton coupler, un nuovo tipo di accoppiatore quantistico progettato per generare accoppiamenti altamente non lineari tra qubit e fotoni. I qubit, unità fondamentali di informazione in un computer quantistico, interagiscono normalmente con la luce (fotoni) per trasmettere e ricevere dati; ma è proprio la forza e la natura non lineare di questa interazione a determinare l’efficienza del sistema.
Nei dispositivi classici, l’accoppiamento è lineare e limitato; con il quarton coupler, invece, l’interazione tra qubit e luce aumenta con l’intensificarsi della corrente, creando un comportamento non lineare che amplifica le prestazioni. Questo rende possibili operazioni e letture in pochi nanosecondi, un traguardo decisivo per la correzione d’errore in tempo reale.
Lettura quantistica: perché la velocità è cruciale
Nel calcolo quantistico, ogni operazione deve essere seguita da un ciclo di lettura e correzione d’errore, poiché i qubit sono estremamente sensibili alle interferenze e decadono rapidamente (tempo di coerenza). La lettura avviene irradiando i qubit con luce a microonde e osservando il comportamento del sistema per determinare lo stato quantico (0 o 1). Più forte è l’accoppiamento tra luce e qubit, più rapida e precisa sarà questa lettura.
Il dispositivo progettato al MIT impiega due qubit su un chip superconduttore, uno configurato come risonatore e l’altro come atomo artificiale. Il quarton coupler li collega generando fotoni a microonde che trasportano l’informazione. Questo tipo di accoppiamento è cruciale per permettere più cicli di errore-correttivo nella breve finestra temporale in cui i qubit restano coerenti.
Un ordine di grandezza in più: verso processori quantistici dieci volte più veloci
Il team del MIT ha misurato una forza di accoppiamento di un ordine di grandezza superiore rispetto ai sistemi precedenti, ossia circa dieci volte maggiore. Questo non solo consente letture più rapide, ma anche operazioni più complesse in tempi più brevi, con un conseguente aumento dell’affidabilità complessiva del sistema.
Il prossimo passo sarà integrare questo tipo di accoppiamento in un circuito quantistico completo, dotato di filtri e moduli elettronici avanzati, per ottenere un vero sistema di lettura rapida adatto alla scalabilità.
Applicazioni future e implicazioni per la tolleranza agli errori
L’obiettivo finale di queste ricerche è rendere il calcolo quantistico praticabile per applicazioni complesse, come simulazioni molecolari, crittografia post-quantistica, ottimizzazione combinatoria e intelligenza artificiale. Tuttavia, l’attuale generazione di dispositivi quantistici è limitata dal cosiddetto “rumore quantistico”: errori causati da fluttuazioni ambientali, instabilità hardware e limiti fisici dei qubit.
Con un sistema in grado di effettuare letture rapide e affidabili, sarà possibile implementare codici di correzione d’errore più aggressivi. Tali codici richiedono misurazioni frequenti e precise dello stato dei qubit, cosa che diventa possibile solo se l’interazione luce-materia è sufficientemente forte e rapida.
Secondo il professor Kevin O’Brien, l’invenzione del quarton coupler rappresenta un salto qualitativo fondamentale per raggiungere il regime di “fault-tolerance”, cioè la capacità di un computer quantistico di funzionare correttamente anche in presenza di difetti hardware e disturbi esterni.
Compatibilità con piattaforme esistenti e prospettive industriali
Un aspetto particolarmente rilevante del quarton coupler è la sua compatibilità con l’infrastruttura attuale dei processori quantistici superconduttori. Il dispositivo può essere integrato nei chip già in uso in laboratori accademici e centri di ricerca industriali, evitando la necessità di riprogettare l’intero stack tecnologico.
Il team prevede inoltre che, una volta ottimizzata la produzione su scala, la tecnologia potrebbe essere utilizzata da aziende come IBM, Google, Rigetti e D-Wave, tutte impegnate nella corsa alla supremazia quantistica. L’accoppiamento non lineare su chip superconduttori potrebbe diventare uno standard per la prossima generazione di architetture quantistiche.
