Nuova tecnologia abilita computer quantistici da un milione di qubit

Una svolta strutturale nel quantum computing prende forma nei laboratori della Stanford University, dove un team di fisici e ingegneri dimostra una nuova architettura basata su array di cavità ottiche a spazio libero, capaci di raccogliere e instradare la luce emessa da singoli atomi in modo simultaneo. Il risultato non è un semplice miglioramento incrementale, ma un cambio di paradigma: la possibilità di leggere molti qubit in parallelo, superando il limite storico della lettura seriale che ha frenato l’espansione dei computer quantistici oltre poche centinaia o migliaia di qubit.

La ricerca, pubblicata su Nature, nasce da una collaborazione ampia che coinvolge anche Stony Brook University, Harvard University, University of Chicago e Montana State University, con finanziamenti provenienti da NSF e da diversi uffici di ricerca militari statunitensi. Il lavoro affronta direttamente una domanda che da anni domina il settore: come portare il quantum computing da dimostrazione di laboratorio a infrastruttura scalabile.

La lettura dei qubit: il vero collo di bottiglia

Nei computer quantistici basati su atomi neutri, i qubit codificano l’informazione negli stati quantici degli atomi. Il problema storico è che gli atomi emettono fotoni lentamente e in tutte le direzioni, rendendo la raccolta dell’informazione inefficiente. Le architetture precedenti si affidavano spesso a una singola cavità globale, limitando l’indirizzabilità individuale e costringendo a misurazioni sequenziali, incompatibili con sistemi su larga scala.

La nuova piattaforma risolve questo limite introducendo una cavità ottica per ciascun qubit atomico. Ogni cavità funge da microscopio dedicato, capace di intrappolare i fotoni emessi dall’atomo e di guidarli in una direzione controllata, permettendo l’estrazione dell’informazione in tempi estremamente rapidi. Il risultato è una lettura non distruttiva, parallela e ad alta fedeltà, un requisito fondamentale per qualsiasi computer quantistico di grandi dimensioni.

Cavità ottiche miniaturizzate con microlenti integrate

Il cuore dell’innovazione risiede nella geometria delle cavità ottiche a spazio libero, progettate per evitare superfici dielettriche vicine agli atomi. Questo dettaglio è cruciale: mantenere gli atomi lontani dalle superfici riduce drasticamente rumore, perdite e interferenze, preservando la coerenza quantistica. All’interno di ogni cavità, i ricercatori integrano microlenti che focalizzano la luce direttamente sull’atomo singolo, riducendo la necessità di rimbalzi multipli e aumentando l’efficienza di raccolta.

Questa architettura consente una vita di modo micrometrica, compatibile con le scale tipiche degli array atomici bidimensionali. Gli atomi vengono intrappolati in pinzette ottiche, con profondità e frequenze delle trappole caratterizzate in modo uniforme su tutto l’array. Il sistema raggiunge una cooperatività di picco superiore a uno, un indicatore chiave del regime di accoppiamento forte luce-materia.

Dimostrazione sperimentale: da 40 a oltre 500 cavità

Nel primo esperimento completo, il team realizza un array di 40 cavità, ciascuna accoppiata a un qubit atomico indipendente, dimostrando la lettura parallela su scala millisecondi. La fluorescenza viene acquisita tramite telecamere EMCCD, mentre la post-elaborazione utilizza thresholding e smoothing gaussiano, raggiungendo una fidelità di discriminazione pari a 0,992. Questo valore indica che la lettura del qubit è rapida, affidabile e non distruttiva, una combinazione raramente ottenuta in architetture precedenti.

Il passo successivo è ancora più significativo: la realizzazione di prototipi con oltre 500 cavità ottiche, che dimostrano in modo concreto la scalabilità della piattaforma. In questa iterazione, i ricercatori ottengono un aumento quasi decuplo della finezza delle cavità, riducono lo splitting modale e mitigano la birefringenza attraverso un design ottico ottimizzato. Lo splitting irrisolto viene stimato sotto lo 0,01 della gamma spettrale libera, un risultato che rafforza la stabilità del sistema su larga scala.

Elettrodinamica quantistica multi-cavità

Uno degli aspetti più rilevanti del lavoro è l’ingresso nel regime di elettrodinamica quantistica multi-cavità. In precedenza, molti esperimenti erano confinati a interazioni luce-materia in una singola cavità o in configurazioni fortemente limitate. Qui, invece, ogni atomo interagisce con la propria cavità, e l’intero sistema può essere interconnesso tramite array di fibre ottiche per la lettura e il networking.

Questa configurazione consente ingegneria avanzata di Hamiltoniani ibridi atomo-fotone, aprendo la strada allo studio di fenomeni many-body in reti di cavità accoppiate. In termini pratici, significa poter progettare logica quantistica ad alta fedeltà, entanglement distribuito e operazioni simultanee su un numero elevato di qubit, elementi indispensabili per un computer quantistico realmente utile.

Dalla scalabilità al milione di qubit

Il vero impatto della tecnologia emerge guardando oltre il laboratorio. Con una piattaforma che scala naturalmente a decine di migliaia di cavità e, in prospettiva, a centinaia di migliaia o milioni, il concetto di computer quantistico da un milione di qubit smette di essere teorico. La lettura parallela elimina uno dei principali fattori di latenza e complessità, rendendo plausibile l’interconnessione di moduli quantistici distribuiti.

In un sistema di questo tipo, reti quantistiche permettono di collegare nodi distanti, aumentando i tassi di trasferimento di informazione quantistica e consentendo architetture modulari. I qubit, sfruttando la sovrapposizione, possono rappresentare simultaneamente più stati, amplificando le soluzioni corrette nei calcoli complessi rispetto all’elaborazione sequenziale dei computer classici.

Applicazioni: materiali, farmaci, sensori e reti

Un computer quantistico su scala milionaria avrebbe implicazioni dirette in settori strategici. La progettazione di nuovi materiali beneficerebbe di simulazioni quantistiche oggi impraticabili. La scoperta di farmaci potrebbe accelerare grazie a modelli molecolari accurati che descrivono interazioni complesse. Anche ambiti come biosensori, microscopia avanzata e astronomia trarrebbero vantaggio dalla capacità di manipolare e misurare singoli fotoni e singole particelle con estrema precisione.

Le reti quantistiche distribuite, abilitate da questa architettura, promettono inoltre nuovi paradigmi di comunicazione sicura e di calcolo condiviso, con applicazioni che spaziano dalla crittografia post-quantistica alla sincronizzazione di sistemi complessi.

Collaborazioni e prospettive future

Il progetto è guidato da Jonathan Simon e vede contributi chiave di ricercatori come Adam Shaw, Anna Soper e numerosi collaboratori accademici. Il supporto di enti come NSF, Air Force Office of Scientific Research e Army Research Office sottolinea il valore strategico della ricerca. La pubblicazione su Nature del 28 gennaio 2026 certifica la solidità dei risultati e ne amplifica l’impatto nella comunità scientifica internazionale.

Guardando avanti, il team punta a espandere l’architettura a decine di migliaia di cavità, migliorando ulteriormente finezza, stabilità e integrazione ottica. L’obiettivo dichiarato è trasformare questa piattaforma in un’infrastruttura di base per il quantum computing e il quantum networking del futuro. Se mantenuta la traiettoria attuale, la strada verso computer quantistici con milioni di qubit appare, per la prima volta, tecnicamente percorribile.