Sommario
Il team di Caltech ha sviluppato un metodo rivoluzionario per memorizzare informazione quantistica utilizzando onde sonore, riuscendo a estendere la durata della coerenza oltre i 10 millisecondi, contro i microsecondi dei sistemi tradizionali. L’approccio si basa su un oscillatore meccanico che interagisce con un qubit superconduttore, trasferendo lo stato quantistico alle vibrazioni acustiche. Questa tecnica riduce la decoerenza, aumentando la stabilità dei dati e aprendo nuove prospettive per il quantum computing. Pubblicata il 13 agosto 2025, la ricerca mostra come le vibrazioni possano garantire alta fedeltà di recupero dei dati (95%), consentendo l’uso in reti quantistiche distribuite e facilitando la scalabilità grazie a materiali già compatibili con i circuiti superconduttori esistenti.
Il metodo innovativo con onde sonore
Gli ingegneri di Caltech hanno realizzato un oscillatore meccanico in silicio e quarzo, capace di vibrare a frequenze gigahertz, in grado di ricevere e memorizzare stati quantistici trasferiti da un qubit superconduttore. Attraverso entanglement quantistico, lo stato del qubit viene codificato nelle vibrazioni e mantenuto stabile in un ambiente criogenico a 4 Kelvin. Le onde sonore, distribuite tra più atomi, diluiscono gli errori dovuti a rumore esterno, garantendo una stabilità nettamente superiore rispetto a metodi ottici o magnetici. Un sistema di feedback loop e sensori ottici monitora e corregge in tempo reale le vibrazioni, mentre algoritmi quantistici ottimizzano la coerenza. La compatibilità con materiali piezoelettrici e tecniche di optomeccanica quantistica consente di confinare le onde in cavità acustiche, amplificando l’interazione con il qubit e riducendo le perdite.
Ricercatori coinvolti nella scoperta
Il progetto è guidato da Mohammad Mirhosseini, con il contributo di Oskar Painter, Amir Safavi-Naeini e Alireza Marandi, esperti di meccanica quantistica e fotonica. Il team ha collaborato con dottorandi di Caltech e partner esterni come MIT e IBM, convalidando i risultati attraverso pubblicazioni peer-reviewed e presentazioni a conferenze internazionali. Il lavoro è finanziato dalla National Science Foundation e ha già portato a brevetti su memorie quantistiche basate su vibrazioni. Le sperimentazioni hanno confermato la resistenza del sistema a campi magnetici esterni e la sua potenziale applicazione in scenari multi-qubit, con possibilità di memorizzare stati entangled distribuiti su più unità computazionali.
Implicazioni per il quantum computing
L’uso di onde sonore per la memorizzazione apre nuove strade per i computer quantistici, che potranno eseguire algoritmi complessi riducendo drasticamente gli errori di decoerenza. Questo approccio migliora la scalabilità, rendendo più semplice l’integrazione in chip ibridi che combinano fotoni per la trasmissione e vibrazioni acustiche per lo storage. Le applicazioni spaziano dalla crittografia quantistica alla simulazione molecolare, fino ai sensori quantistici per esplorazione spaziale e diagnostica medica. La possibilità di operare con efficienza a temperature criogeniche meno estreme potrebbe ridurre i costi dei sistemi, democratizzando l’accesso al quantum computing. Collaborazioni con NASA e altre istituzioni esplorano già l’uso della tecnologia in ambienti con radiazioni intense, come i satelliti.
Durata e confronti con altri sistemi
Il nuovo metodo di Caltech consente di mantenere la coerenza quantistica per oltre 10 millisecondi, contro i microsecondi tipici dei sistemi ottici e i nanosecondi delle tecniche magnetiche. Rispetto alle trappole ioniche, che garantiscono tempi simili ma con scarsa scalabilità, l’approccio acustico dimostra maggiore versatilità. Nei test, la fedeltà di recupero è stata del 95%, con un miglioramento 1000x rispetto ai tentativi precedenti con fotoni acustici. L’uso di correzione errori integrata ha ulteriormente esteso la durata effettiva delle memorie, confermando l’idoneità del sistema per applicazioni pratiche.
Materiali e interazioni quantistiche
L’oscillatore impiega silicio e quarzo per ridurre le perdite, mentre i qubit superconduttori basati su niobio trasferiscono gli stati tramite circuiti Josephson. L’interazione avviene grazie a campi piezoelettrici, che convertono segnali elettrici in vibrazioni quantizzate (fononi). Le cavità acustiche confinano queste vibrazioni, migliorando la coerenza. L’intero sistema è testato a frequenze tra 5 e 10 GHz, compatibili con i qubit superconduttori, e in ambienti criogenici che minimizzano il rumore termico. Il recupero dei dati avviene tramite readout ottico con laser sintonizzati per misurare spostamenti nanometrici, supportati da tomografia quantistica per verificare la purezza degli stati.
Applicazioni future e prospettive
Caltech prevede l’uso di queste memorie in reti quantistiche distribuite, dove le vibrazioni possono fungere da buffer per la trasmissione sicura di dati. L’integrazione in sistemi ibridi con fotoni permetterebbe di ottimizzare trasporto e storage. Le prospettive includono applicazioni in finanza, chimica computazionale, intelligenza artificiale quantistica, oltre a sensori medici e strumenti per l’esplorazione spaziale. Le vibrazioni acustiche, resistenti a radiazioni e disturbi, potrebbero rivelarsi ideali per piattaforme orbitali e missioni di lunga durata. Il metodo si fonda sull’entanglement optomeccanico tra un qubit superconduttore e un oscillatore che vibra a 5 GHz. Lo stato quantistico viene trasferito ai fononi acustici tramite interazioni piezoelettriche. Operando a 4 Kelvin, il tasso di decoerenza scende sotto i 100 Hz, consentendo tempi di memoria oltre 10 ms. Il recupero tramite laser di lettura ha mostrato una fedeltà del 95%, convalidata da matrici di densità ottenute con tomografia quantistica. Questa combinazione di stabilità, scalabilità e compatibilità con materiali standard rende la scoperta una delle più promettenti nel campo delle memorie quantistiche.
