I computer quantistici, capaci teoricamente di risolvere problemi che i computer tradizionali non potranno mai affrontare, si basano su componenti fondamentali noti come qubit.
Recentemente, un team di ricercatori dell’Istituto Federale Svizzero di Tecnologia (ETH) di Zurigo ha creato il primo qubit meccanico, un’innovazione che potrebbe rivoluzionare il campo della computazione quantistica e portare alla creazione di sensori quantistici senza precedenti.
Cosa sono i Qubit e perché sono importanti
I qubit rappresentano l’unità fondamentale di informazione nei computer quantistici. A differenza dei bit tradizionali, che possono essere solo 0 o 1, i qubit possono esistere in uno stato di sovrapposizione, rappresentando contemporaneamente entrambi i valori. Questo stato consente ai computer quantistici di eseguire calcoli complessi a una velocità inarrivabile per i computer classici.
Tradizionalmente, i qubit si basano su stati elettronici, come diversi livelli di carica elettrica. Tuttavia, questi qubit elettromagnetici hanno un limite significativo: il loro tempo di coerenza è breve. Il tempo di coerenza è il periodo durante il quale un qubit mantiene il suo stato quantistico prima di decadere. Tempi di coerenza brevi limitano l’affidabilità e la complessità dei calcoli quantistici.
La Nascita del Qubit Meccanico
Per superare questi limiti, i ricercatori hanno esplorato la possibilità di creare qubit meccanici, che si basano su stati vibratori anziché elettronici. Il primo qubit meccanico completamente operativo è stato realizzato dal team di Yu Yang, dottorando presso l’ETH di Zurigo, sotto la supervisione di Yiwen Chu. Questo qubit meccanico – descritto nel numero di novembre di Science – si comporta come una versione microscopica di una pelle di tamburo che può vibrare e non vibrare contemporaneamente, un fenomeno paragonabile al famoso paradosso del gatto di Schrödinger.
Sfide Tecnologiche e Soluzioni
Una delle principali difficoltà nella creazione di qubit meccanici è rappresentata dalla natura armonica dei loro stati energetici. Nei qubit elettromagnetici, gli stati energetici sono disposti in modo disomogeneo, rendendo possibile utilizzarli come qubit. Al contrario, i risonatori meccanici operano a livelli energetici uniformemente distanziati, rendendo difficile utilizzarli direttamente come qubit.
Per ovviare a questo problema, i ricercatori hanno creato un dispositivo ibrido che combina un risonatore meccanico con un componente anarmonico, come un qubit superconduttore. Il risonatore meccanico utilizzato è un disco piezoelettrico fissato su una base di zaffiro, mentre il qubit superconduttore è montato su un chip separato di zaffiro. Questa configurazione ha permesso di ottenere tempi di coerenza più lunghi rispetto ai qubit elettromagnetici tradizionali.
Vantaggi del Qubit Meccanico
Il nuovo qubit meccanico ha dimostrato un tempo di coerenza di circa 200 microsecondi, un valore già rispettabile rispetto ai tempi tipici dei qubit superconduttori, che si aggirano intorno ai 100 microsecondi. “Nel nostro sistema, il qubit meccanico ha in realtà una durata molto più lunga rispetto al qubit superconduttore,” spiega Yu Yang. Questo risultato è stato possibile grazie a nuove tecniche di fabbricazione che hanno migliorato le prestazioni sia del risonatore meccanico che del qubit superconduttore.
I ricercatori credono che il qubit meccanico possa trovare applicazione in diversi ambiti, tra cui:
- Computazione quantistica complessa: I qubit meccanici potrebbero essere utilizzati per eseguire programmi quantistici lunghi e complessi.
- Sensori quantistici avanzati: Questi dispositivi potrebbero misurare forze meccaniche a frequenze gigahertz, offrendo nuove opportunità per rilevare onde gravitazionali e altre fenomenologie fisiche non ancora esplorate.
Fino ad ora, la maggior parte dei sistemi di qubit utilizzati come sensori erano progettati per misurare forze elettromagnetiche o campi gravitazionali costanti. Questo sistema permette di misurare forze meccaniche ad alta frequenza, come quelle causate dalle onde gravitazionali. Un nuovo campo di ricerca per il quale non esistono ancora basi di confronto.
Yang e il suo team stanno lavorando per migliorare ulteriormente il tempo di coerenza del loro dispositivo utilizzando design e materiali diversi. L’obiettivo finale è quello di utilizzare qubit meccanici per eseguire porte quantistiche, l’equivalente quantistico delle porte logiche nei computer tradizionali. Questo passo avanti potrebbe portare alla realizzazione di computer quantistici meccanici più stabili e potenti rispetto a quelli basati esclusivamente su qubit elettromagnetici.
La creazione del primo qubit meccanico rappresenta un passo significativo nella ricerca quantistica, aprendo nuove strade per la computazione quantistica e la sensoristica avanzata. Questa scoperta potrebbe portare alla realizzazione di computer quantistici più affidabili e a sensori in grado di misurare fenomeni fisici con una precisione senza precedenti, rivoluzionando settori che vanno dalla fisica fondamentale all’ingegneria pratica.
Fonte: Science
Nella foto di copertina: parte di un qubit superconduttore e la sua antenna (bianca) si trovano sopra una cupola di nitruro di alluminio che eccita le vibrazioni nel chip di zaffiro sottostante. UWE VON LUEPKE/ETH ZÜRICH
NEL VIDEO
I concetti della meccanica quantistica possono essere difficili da comprendere. Muir Kumph, ricercatore di informatica quantistica IBM, in questo video di alcuni anni fa utilizza un giroscopio meccanico su due gimbles per tracciare un’analogia tra le proprietà dinamiche di un qubit (un sistema meccanico quantistico) e il giroscopio (un sistema meccanico classico).
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