I computer quantistici possono risolvere problemi straordinariamente complessi, aprendo nuove possibilità in campi come lo sviluppo di farmaci, la crittografia, l’intelligenza artificiale e la logistica: ora i ricercatori della Chalmers University of Technology in Svezia hanno sviluppato un amplificatore altamente efficiente che si attiva solo quando legge le informazioni dai qubit. Grazie al suo design smart, consuma solo un decimo della potenza consumata dai migliori amplificatori oggi disponibili. Questo – spiegano i ricercatori – riduce la decoerenza dei qubit e pone le basi per computer quantistici più potenti, con un numero significativamente maggiore di qubit e prestazioni migliori.
I bit, che sono gli elementi costitutivi di un computer convenzionale, possono avere solo il valore 1 o 0. Al contrario, gli elementi costitutivi comuni di un computer quantistico, i bit quantistici o qubit, possono esistere in stati che hanno il valore 1 e 0 simultaneamente e in tutti gli stati intermedi in qualsiasi combinazione. Ciò significa che un computer quantistico a 20 qubit può rappresentare oltre un milione di stati diversi contemporaneamente. Questo fenomeno, chiamato sovrapposizione, è uno dei motivi principali per cui i computer quantistici possono risolvere problemi eccezionalmente complessi che vanno oltre le capacità degli attuali supercomputer convenzionali.
Gli amplificatori sono essenziali, ma causano decoerenza
Per poter utilizzare la potenza di calcolo di un computer quantistico, i qubit devono essere misurati e convertiti in informazioni interpretabili. Questo processo richiede amplificatori a microonde estremamente sensibili per garantire che questi segnali deboli vengano rilevati e letti con precisione. Tuttavia, la lettura delle informazioni quantistiche è un’attività estremamente delicata: anche la più piccola fluttuazione di temperatura, il rumore o l’interferenza elettromagnetica possono far perdere ai qubit la loro integrità, il loro stato quantistico, rendendo le informazioni inutilizzabili. Poiché gli amplificatori generano output sotto forma di calore, causano anche decoerenza. Di conseguenza, i ricercatori in questo campo sono sempre alla ricerca di amplificatori di qubit più efficienti. Ora i ricercatori di Chalmers hanno compiuto un importante passo avanti con il loro nuovo amplificatore altamente efficiente.
“Questo è l’amplificatore più sensibile che si possa costruire oggi con i transistor. Siamo riusciti a ridurre il suo consumo energetico a un decimo di quello richiesto dai migliori amplificatori attuali, senza compromettere le prestazioni.
Speriamo e crediamo che questa scoperta consentirà in futuro una lettura più accurata dei qubit“, afferma Yin Zeng, dottorando in tecnologia terahertz e onde millimetriche presso Chalmers e primo autore dello studio pubblicato sulla rivista IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.
Una svolta essenziale per il potenziamento dei computer quantistici
Questo progresso potrebbe essere significativo per scalare i computer quantistici in modo da ospitare un numero di qubit significativamente superiore a quello attuale. Chalmers è impegnata attivamente in questo campo da molti anni attraverso un programma di ricerca nazionale, il Wallenberg Centre for Quantum Technology. Con l’aumento del numero di qubit, aumenta anche la potenza di calcolo del computer e la sua capacità di gestire calcoli molto complessi. Tuttavia, i sistemi quantistici più grandi richiedono anche un maggior numero di amplificatori, con un conseguente maggior consumo energetico complessivo, che può portare alla decoerenza dei qubit.
“Questo studio offre una soluzione per il futuro upscaling dei computer quantistici, dove il calore generato da questi amplificatori di qubit rappresenta un importante fattore limitante“, afferma Jan Grahn, professore di elettronica a microonde presso Chalmers e principale supervisore di Yin Zeng.
Si attiva solo quando serve
A differenza di altri amplificatori a basso rumore, il nuovo amplificatore sviluppato dai ricercatori di Chalmers funziona a impulsi, cioè si attiva solo quando è necessario per l’amplificazione del qubit, anziché essere sempre acceso.
“Questa è la prima dimostrazione di amplificatori a semiconduttore a basso rumore per la lettura quantistica con funzionamento a impulsi che non influisce sulle prestazioni e con un consumo energetico drasticamente ridotto rispetto all’attuale stato dell’arte“, afferma Jan Grahn.
Poiché le informazioni quantistiche vengono trasmesse in impulsi, una delle sfide principali era garantire che l’amplificatore si attivasse abbastanza rapidamente da tenere il passo con la lettura dei qubit. Il team di Chalmers ha affrontato questo problema progettando un amplificatore intelligente che utilizza un algoritmo che migliora il funzionamento dell’amplificatore. Per convalidare il loro approccio, hanno anche sviluppato una tecnica innovativa per misurare il rumore e l’amplificazione di un amplificatore a microonde a basso rumore e azionato a impulsi.
“Abbiamo utilizzato la programmazione genetica per consentire un controllo intelligente dell’amplificatore. Il risultato è stato una risposta molto più rapida all’impulso del qubit in arrivo, in soli 35 nanosecondi“, spiega Yin Zeng.
È possibile leggere l’articolo Pulsed HEMT LNA Operation for Qubit Readout su IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.
