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Computer quantistico casalingo dai diamanti: a che punto siamo

Portare i computer quantistici fuori dai laboratori di ricerca: la Quantum Brilliance punta sui diamanti per costruire i suoi acceleratori quantici
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Gli attuali computer quantistici superconduttori sono macchine enormi e ingombranti, che si trovano nei centri di ricerca delle università o delle grandi aziende hi-tech come IBM e Google. Il loro funzionamento si basa sui qubit, unità fondamentali del calcolo quantistico, che sono gli equivalenti dei bit dei “normali” computer. I qubit sono governati dalle leggi della meccanica quantistica, che gli permettono di offrire potenze di calcolo senza precedenti.

Proprio grazie alla elevata capacità di elaborazione dati, i computer quantistici sono destinati a risolvere i problemi più complessi, ma il loro hardware presenta ancora dei limiti

I qubit sono unità estremamente sensibili a qualsiasi tipo di interazione e per poter funzionare devono trovarsi condizioni ottimali di isolamento meccanico, che gli schermi anche dalla minima radiazione elettromagnetica, e a temperature prossime allo zero assoluto, cioè sotto i 273,15 gradi. Due requisiti che difficilmente gli permettono di uscire dai laboratori delle Big Tech e di entrare nelle case di ognuno di noi.

Una nuova azienda tedesco-australiana però ha deciso di tentare l’impresa, realizzando degli acceleratori quantici dai diamanti. La Quantum Brilliance sfrutta alcune proprietà della struttura dei diamanti per progettare dei computer quantistici versione “desktop”. Una sfida che, se vinta, permetterà di realizzare computer quantistici di uso comune già entro il 2025.

Computer quantistici superconduttori: i limiti

computer quantisticoI computer quantistici sono basati su una tecnologia che impiega come unità di informazione di base i qubit, da quantum bit, che offrono una potenza di calcolo nettamente superiore rispetto ai bit dei PC standard. Questo perché i qubit seguono le leggi della meccanica quantistica, ed in particolare sono soggetti alla sovrapposizione di stati: se un bit classico può avere solo un valore ben definito di 0 o 1, i qubit possono trovarsi in più stati contemporaneamente, cioè avere più valori sovrapposti (sia 0 che 1).

La sovrapposizione, unita ad altri fenomeni della meccanica quantistica come entanglement e inferenza, permette di processare una quantità di informazioni che è esponenzialmente superiore rispetto a quella possibile processando bit: un calcolo che richiede anni di calcoli con un computer normale sarà eseguito in pochi secondi da un computer quantistico.

Se da un lato la potenza di calcolo è ben superiore e apre la strada alla risoluzione di problemi complessi, dall’altro non mancano i limiti, riguardanti soprattutto l’hardware fisico

I qubit sono estremamente fragili e risentono delle condizioni dell’ambiente circostante, che ne può pregiudicarne le prestazioni. Una qualsiasi interferenza elettromagnetica potrebbe provocare decoerenza e quindi errori nel calcolo quantistico. Quindi, devono essere costruiti dei processori che siano posti in macchine enormi che permettano un’adeguata schermatura, Inoltre, per poter lavorare, essi devono risiedere in un ambiente con temperatura vicino a 0 Kelvin (-273 °C), cioè lo zero assoluto, il che richiede dei complessi sistemi di raffreddamento criogenici. Due limiti che relegano i computer quantistici in grandi laboratori e ne impediscono la diffusione su largo consumo.

Acceleratore quantico: la tecnologia dal diamante

computer quantisticoLa startup tedesco-australiana Quantum Brilliance sembra aver trovato la soluzione per realizzare un computer quantistico economico, portatile e facilmente scalabile, che lavora a temperatura ambiente. Per farlo, hanno realizzato un microprocessore dove le proprietà del diamante sintetico vengono sfruttate per ridimensionare e controllare i qubit.

Nel dettaglio, il processore di un computer quantistico a diamante è costituito da una serie di nodi, ognuno dei quali è composto da un centro di azoto vacante (NV), cioè un difetto nella struttura reticolare del diamante che provoca una “lacuna”, e da un cluster di spin nucleari, in grado di lavorare a temperature ambiente. Gli spin nucleari agiscono come qubit, mentre i centri NV (dall’inglese Nitrogen Vacancy) da “bus” quantistici, che permettono l’inizializzazione e la lettura dei qubit, e le operazioni multi-qubit tra diversi nodi.

Questo ha permesso a Quantum Brilliance di ridimensionare i suoi acceleratori quantici che sfruttano le proprietà del reticolo del diamante sintetico, ottenendo così maggiore stabilità

L’attuale kit di sviluppo quantistico dell’azienda offre 5 qubit con cui lavorare ed è stato messo a disposizione dei propri clienti, così da consentire ad altre aziende di iniziare a lavorare per attività di benchmarking, integrazione e co-design. In questo modo, si punta a realizzare un acceleratore quantico da 50 qubit già entro il 2025. Il prossimo passo sarà la miniaturizzazione dei sistemi, così da poter realizzare processori quantistici adatti anche a dispositivi mobili. Un risultato che permetterà di realizzare computer quantistici stabili, compatti e operativi anche a temperatura ambiente, che potrebbero trovare applicazioni commerciali su larga scala anni prima di quanto ci vorrà per i computer quantistici a semiconduttori.

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