raggi cosmici

Quantum Computer: la sfida dei raggi cosmici

C' una nuova grande sfida per gli scienziati: costruire dei qubit che non vengono influenzati dai raggi cosmici per i computer quantistici del futuro
Quantum Computer: la sfida dei raggi cosmici FASTWEB S.p.A.

In questo momento, proprio mentre leggi questo articolo, centinaia di particelle stanno attraversando il tuo corpo. Si tratta di raggi cosmici provenienti da sorgenti nella nostra galassia, o addirittura extragalattiche, oppure di radiazioni ambientali emesse dagli oggetti che ti circondano. Una radiazione di fondo che permea tutta la materia e che potrebbe influenzare il comportamento dei computer quantistici che stanno già rivoluzionando l'informatica del futuro.

Come in ogni rivoluzione tecnologica, dietro ogni angolo c'è però una nuova sfida da affrontare. Velocità di calcolo elevatissime e possibilità di risolvere anche il più complesso degli algoritmi: la promessa dei computer quantici, costituiti da elementi chiamati qubit, rischia di essere compromessa proprio da questa radiazione di fondo. Un nuovo studio condotto dai ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e del Pacific Northwest National Laboratory e pubblicato su Nature ha evidenziato come i raggi cosmici siano in grado di influenzare i qubit e di conseguenza peggiorare le prestazioni dei computer quantistici.

I qubit costituiscono la base dell'informatica quantistica e, a questo fine, sono estremamente potenti, ma gli scienziati sono ancora alla ricerca del materiale perfetto e che sia in grado di operare in superposizioni abbastanza a lungo, prima che l'informazione quantistica vada irrimediabilmente persa, e di conseguenza la sua capacità di calcolo, in un processo chiamato "decoerenza". Un processo fisico che i raggi cosmici e la radiazione ambientale velocizza, rendendo di fatto il qubit inutilizzabile in tempi estremamente brevi.

Per aggirare il problema le soluzioni potrebbero essere principalmente due: costruire enormi computer quantistici nel sottosuolo, per sfruttarne la schermatura naturale delle radiazioni, oppure, progettare dei qubit con dei materiali superconduttori che siano in grado di resistere ai livelli di radiazioni a cui verrebbero naturalmente esposti se utilizzati in superficie. E la seconda strada, per guidare la rivoluzione informatica, sembra essere quella più percorribile.

Qubit, cosa sono e come funzionano

qubit raggi cosmici

I qubit sono gli elementi logici alla base dei computer basati sulla fisica quantistica, cioè analoghi quantistici dei "normali" bit dell'odierna tecnologia basata sul silicio. Attraverso le sovrapposizioni degli stati iniziali, questi elementi sono in grado di elaborare e codificare un'enorme quantità di informazioni e tutte allo stesso momento. Proprio la possibilità di analisi simultanea di più informazioni permette ai processori dei computer quantici di raggiungere velocità di calcolo superiori anche al più potente dei PC oggi esistente, oltre che risolvere algoritmi estremamente complessi, che un computer tradizionale non potrebbe elaborare.

Gli scienziati da tempo lavorano alla realizzazione di qubit che riescano a conservare ed elaborare le informazioni quantistiche più a lungo possibile. In particolare, i ricercatori del MIT immaginano i qubit come una cipolla: dopo aver rimosso per 20 anni gli strati più esterni, continuano strato dopo strato a svelarne nuove caratteristiche e comportamenti. Ogni difficoltà affrontata e superata è uno strato in meno fino a raggiungere il cuore dell'essenza dei qubit e carpirne i segreti per realizzare il computer quantico più potente che possiamo immaginare.

Qubit e l'effetto destabilizzante dei raggi cosmici

computer quantistici

Per molto tempo gli scienziati hanno ipotizzato che i qubit potessero soffrire per "avvelenamento" da quasiparticelle. Se infatti una coppia di elettroni all'interno del materiale che compone il circuito elettrico del qubit si separa, si formano delle "quasiparticelle" che permeano il circuito provocando la decoerenza, e con essa la perdita di informazioni, affidabilità e velocità di calcolo. La decoerenza può essere il risultato di molti effetti, come la fluttuazione magnetica o la presenza di campi elettrici, ma anche del calore. Il team di ricercatori del MIT ha però scoperto che tra le cause di decoerenza ci sono anche i raggi cosmici e la radiazione ambientale di fondo. Interagendo con queste particelle o queste onde elettromagnetiche, i qubit si "danneggiano" (nel senso che perdono la propria coerenza e quindi cambia l'informazione che essi contengono) e le prestazioni dei computer quantistici peggiorano inesorabilmente.

Computer quantistici, come proteggerli dai raggi cosmici

computer quantistici

Come schermare i qubit affinché questo effetto non ne acceleri i processi di decoerenza che ne compromette il funzionamento? Questa la domanda che i ricercatori hanno continuato a porsi dopo aver scoperto il fenomeno. Una prima soluzione che hanno trovato è stata quella di costruire un'armatura di piombo, spessa 10 centimetri, da mettere a protezione del computer quantistico e dei suoi preziosi qubit. Il piombo infatti riesce a schermare gran parte dei raggi cosmici, anche alcuni di quelli più penetranti, e pertanto consente, in una certa misura, di evitare la degradazione del calcolo.

Un'altra soluzione, per quanto decisamente poco comoda, è quella di costruire i computer quantistici nei laboratori sotterranei. La crosta terrestre offre un'ottima schermatura dalla radiazione cosmica di fondo e in particolare dalla componente costituita dai raggi cosmici, ma tenere questi computer solo nei laboratori appositamente attrezzati potrebbe rivelarsi poco pratico, soprattutto nella prospettiva futura di un utilizzo quotidiano di questa tecnologia.

Altra alternativa è la progettazione qubit con materiali nuovi e in grado di resistere naturalmente alla degradazione innescata dai raggi cosmici. Ad esempio, progettando qubit che siano meno sensibili all'effetto delle quasiparticelle, oppure inserendo in essi delle "trappole" che catturino le quasiparticelle che provocano la decoerenza, in modo da preservare intatte le coppie di elettroni che compongono i qubit e consentirgli di elaborare e codificare le informazioni senza errori. Una strada ancora da esplorare alla caccia del materiale perfetto per realizzare il potente computer quantistico di un futuro che sembra ormai molto vicino.

 

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