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Ricerca IBM: nuovi progressi nelle prestazioni dei dispositivi per il quantum computing

I ricercatori IBM hanno raggiunto importanti risultati nelle prestazioni dei dispositivi di quantum computing, che potranno accelerare la realizzazione di un vero e proprio computer quantistico. Per applicazioni specifiche, il quantum computing, che sfrutta il comportamento quantomeccanico della materia di base, potrà fornire una potenza di calcolo ineguagliata dai supercomputer attuali.

Utilizzando svariate tecniche, i ricercatori IBM hanno stabilito tre nuovi record per la riduzione degli errori nei calcoli elementari e per la conservazione delle proprietà quantomeccaniche nei bit quantistici (qubit), le unità di base che trasportano le informazioni nel quantum computing. Inoltre, IBM ha scelto di impiegare qubit superconduttori, che sfruttano le tecniche di microfabbricazione sviluppate per la tecnologia del silicio e che forniscono un potenziale di scalabilità e di fabbricazione fino a migliaia o milioni di qubit.

I risultati vengono presentati in occasione dell’incontro annuale dell'American Physical Society, che si terrà dal 27 febbraio al 1 marzo 2012 a Boston, Massachusetts.

Potenzialità

Le proprietà speciali dei qubit consentono a un computer quantistico di svolgere contemporaneamente milioni di operazioni, mentre un computer desktop può in genere gestire solo una piccola quantità di calcoli alla volta. Ad esempio, i bit di informazioni contenuti in un singolo stato a 250 qubit è superiore al numero di particelle esistenti nell’universo.

Queste proprietà avranno vaste implicazioni soprattutto nel campo della crittografia dei dati, dove i computer quantistici potrebbero gestire grandissimi numeri, come quelli utilizzati per codificare e decodificare le informazioni sensibili.

“Il lavoro sul quantum computing che stiamo svolgendo dimostra che non si tratta più solo di un esperimento di fisica con un metodo 'forza bruta'. È ora di iniziare a creare sistemi basati su questa scienza, in grado di portare l’informatica a un livello del tutto nuovo”, spiega Matthias Steffen, manager del team di Ricerca IBM che lavora al progetto per arrivare ad applicazioni nel mondo reale.

Numerose altre applicazioni potrebbero comprendere la ricerca in database di informazioni non strutturate, l’esecuzione di una serie di attività di ottimizzazione e la soluzione di nuovi e interessanti problemi matematici.

Come funziona il quantum computing

La più piccola quantità di informazione che un computer è in grado di utilizzare è il bit. In modo analogo ad una luce che può essere accesa o spenta, un bit può assumere solo uno fra due valori: “1” oppure “0”. Un qubit invece, oltre agli stati “1” e “0”, può assumere contemporaneamente entrambi i valori. Questa proprietà, denominata 'sovrapposizione', è ciò che consente ai computer quantistici di eseguire milioni di calcoli contemporaneamente.

Una delle grandi sfide per sfruttare la potenza del quantum computing è il controllo o l’eliminazione della decoerenza quantistica: la generazione di errori nei calcoli, causata dall'interferenza di fattori quali il calore, la radiazione elettromagnetica e i difetti dei materiali. Per affrontare questo problema, da anni i ricercatori compiono esperimenti per scoprire il modo di ridurre il numero di errori e per allungare lo spazio di tempo per il quale i qubit conservano le loro proprietà quantomeccaniche. Quando questo tempo è sufficientemente lungo, gli schemi di correzione degli errori diventano efficaci, rendendo possibile l’esecuzione di calcoli lunghi e complessi.

Esistono molti sistemi che possono portare alla realizzazione di un computer quantistico funzionale. IBM si è focalizzata sull’uso di qubit superconduttori, che semplificheranno la transizione verso la costruzione di dispositivi reali dotati di un numero relativamente alto di qubit.

IBM ha compiuto di recente esperimenti con un qubit superconduttore “tridimensionale” (qubit 3D) esclusivo, un approccio che era stato avviato all’Università di Yale. Tra i risultati, il team di IBM ha utilizzato un qubit 3D [documentazione tecnica disponibile] che consente di estendere lo spazio di tempo per il quale i qubit mantengono il loro stato quantico fino a 100 microsecondi. Questo valore è di poco superiore alla soglia minima per consentire schemi di correzione degli errori efficaci e indica che gli scienziati possono iniziare a concentrarsi su aspetti ingegneristici più vasti per la scalabilità.

In esperimenti separati, il gruppo ha dimostrato inoltre un dispositivo a qubit “bidimensionale” (qubit 2D), più tradizionale, e ha effettuato un’operazione logica a due qubit – un’operazione controlled-NOT (CNOT) [documentazione tecnica disponibile], che rappresenta un elemento fondamentale di un più grande sistema di quantum computing. La loro operazione ha dimostrato un tasso di successo del 95 per cento, consentito in parte grazie al lungo tempo di coerenza di quasi 10 microsecondi. Questi numeri segnano l’avvento di schemi di correzione degli errori efficaci e agevolano enormemente gli esperimenti multi-qubit futuri.

L’impegno di IBM

La realizzazione di un computer quantistico funzionale pone enormi sfide scientifiche e tecnologiche, ma tutti i risultati, nel loro complesso, danno un quadro molto promettente per la realizzazione del primo computer quantistico in un futuro non troppo distante.

Le metriche essenziali della tecnologia e delle prestazioni dei dispositivi hanno registrato una serie di sorprendenti progressi, con un aumento da 100 a 1000 volte dalla metà del 2009, culminando nei risultati recenti che sono molto vicini ai requisiti minimi per un sistema di quantum computing vero e proprio, come stabilito dalla comunità della ricerca mondiale. Per realizzare questi progressi, IBM ha sottolineato l’importanza e il valore del continuo scambio di informazioni e di conoscenze con le comunità della ricerca attive in questo campo e con il mondo accademico e industriale.

“La ricerca sui qubit superconduttori, guidata dal team IBM, avanza in modo molto mirato sulla strada verso un computer quantistico scalabile e affidabile. Le prestazioni dei dispositivi ora riferite li avvicinano al punto di svolta; possiamo vedere gli elementi che saranno utilizzati per dimostrare che è possibile arrivare a una correzione degli errori efficace e realizzare qubit logici affidabili”, osserva David DiVincenzo, professore presso l’Istituto di Informatica Quantistica, Forschungszentrum Juelich.

Anche se la maggior parte del lavoro finora compiuto in questo campo si è concentrato sul miglioramento delle prestazioni dei dispositivi, gli sforzi nella comunità devono ora comprendere aspetti di integrazione dei sistemi, come la valutazione delle esigenze di elaborazione delle informazioni classica per la correzione degli errori, problemi di I/O, fattibilità e costi della scalabilità.

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