Il computer del futuro è già qui: qubit 15 volte più stabili

Il computer quantistico promette di rivoluzionare campi come crittografia, intelligenza artificiale e progettazione di nuovi farmaci, ma incontra ancora un ostacolo enorme: la decoerenza. I qubit, i “mattoncini” di base di questi sistemi, perdono molto rapidamente le loro proprietà quantistiche a causa del rumore dell’ambiente. Questo limita il tempo utile in cui si possono eseguire calcoli complessi e obbliga i ricercatori a progettare algoritmi ultra rapidi e sofisticati sistemi di correzione degli errori.

In questo contesto si inserisce una nuova ricerca dell’Università di Princeton, che ha sviluppato un tipo di qubit superconduttore in grado di mantenere la coerenza per tempi fino a 1,6 millisecondi, circa 15 volte più lunghi rispetto agli standard industriali. Un risultato che, se integrato in architetture scalabili, potrebbe cambiare le regole del gioco per il quantum computing.

Qubit più longevi: cosa cambia per il computer quantistico

Nei computer quantistici i qubit sono l’equivalente dei bit classici, ma con una differenza cruciale: possono trovarsi in una sovrapposizione di stati, consentendo calcoli paralleli su larga scala. Proprio questa caratteristica li rende però estremamente fragili. Qualsiasi interazione indesiderata con l’ambiente (vibrazioni, calore residuo, difetti nei materiali) porta il qubit a “collassare” in uno stato classico, cancellando l’informazione.

I qubit superconduttori più utilizzati oggi, i cosiddetti transmon, lavorano su chip raffreddati quasi allo zero assoluto e operano in tempi dell’ordine di poche decine di microsecondi. Il nuovo design sviluppato a Princeton porta questo tempo di coerenza fino a 1,6 millisecondi, offrendo quindi un margine molto più ampio per eseguire più operazioni quantistiche prima che gli errori si accumulino. Per chi vuole approfondire il funzionamento di base di questi sistemi, è disponibile un chiaro approfondimento sui qubit.

Materiali “puliti” per qubit più stabili

Il salto di qualità non dipende solo dal design del circuito, ma soprattutto dalla scelta dei materiali. Nei transmon tradizionali viene usato quasi sempre l’alluminio, un metallo che presenta numerosi difetti superficiali su scala nanometrica. Questi difetti agiscono come minuscole “trappole” che assorbono energia dal qubit, accorciando il tempo di coerenza e introducendo errori.

I ricercatori di Princeton hanno sostituito l’alluminio con il tantalio, un metallo noto per la sua maggiore stabilità e per la minore presenza di difetti superficiali. In una versione precedente del loro qubit, il tantalio era depositato su un substrato di zaffiro. Analisi più accurate hanno mostrato che anche lo zaffiro contribuiva alla perdita di energia, così il team ha deciso di usare come base il silicio ultra puro, lo stesso materiale alla base dell’industria dei semiconduttori.

Computer quantistici e integrazione con le architetture esistenti

Una delle caratteristiche più interessanti di questo nuovo qubit è la sua compatibilità con le architetture di computer quantistici superconduttori già sviluppate da grandi colossi tecnologici. Si tratta sempre di un transmon, ma realizzato con materiali e processi più raffinati: questo significa che, almeno in linea teorica, i chip futuri potrebbero integrare questo design senza stravolgere completamente l’hardware e il software esistente.

Per dimostrare la fattibilità pratica dell’approccio, il team ha realizzato un chip con sei qubit basati su tantalio e silicio, testandone le prestazioni in condizioni realistiche di laboratorio. Il passo successivo sarà aumentare il numero di qubit, mantenendo tempi di coerenza elevati e una buona “fedeltà” delle operazioni logiche, condizione essenziale per implementare protocolli di correzione degli errori su larga scala.

Decoerenza, errori e strada verso la tolleranza ai guasti

Anche con qubit più longevi, la decoerenza non scompare del tutto: gli errori rimangono, ma crescono più lentamente. Questo offre ai ricercatori una finestra temporale più ampia per applicare codici di correzione degli errori, indispensabili per costruire un computer quantistico a fault tolerance, cioè in grado di eseguire calcoli di lunga durata senza che il rumore distrugga il risultato.

Molti schemi teorici di correzione degli errori richiedono tempi di coerenza e tassi di errore che finora erano fuori portata per i dispositivi superconduttori commerciali. Estendere di 15 volte la durata media di un qubit significa avvicinarsi alle soglie richieste da questi schemi e rende più realistico immaginare, nel medio termine, processori quantistici in grado di affrontare problemi di chimica computazionale, ottimizzazione e crittografia su scala industriale.

Un passo in avanti nella corsa al quantum computing

Il percorso per trasformare questa tecnologia in prodotti commerciali rimane complesso: bisogna dimostrare che i tempi di coerenza restano elevati anche su chip con centinaia o migliaia di qubit, perfezionare le tecniche di fabbricazione e ridurre i costi. La direzione, però, è chiara: migliorare la qualità del singolo qubit è una strategia complementare alle architetture di correzione degli errori e può accelerare in modo decisivo l’intera corsa al quantum computing.