I ricercatori in Belgio si muovono verso la produzione industriale di qubit

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Shana Massar, ingegnere del programma di calcolo quantistico dell'Imec, afferma: "L'obiettivo dei computer quantistici non è quello di sostituire i nostri computer classici già conosciuti per svolgere le nostre attività quotidiane. Abbiamo bisogno dei computer quantistici per una serie di problemi molto particolari, problemi che hanno un alto grado di complessità."

Un esempio di caso d'uso per l'informatica quantistica è la risoluzione di problemi di ottimizzazione; un altro sta simulando sistemi molecolari. Ciò può essere fatto per acquisire una migliore comprensione della scienza dei materiali e può anche essere fatto per contribuire alla scoperta di nuovi farmaci.

In un computer quantistico, le informazioni vengono manipolate in modo fondamentalmente diverso rispetto a un computer classico. In un computer classico l'elemento logico è un bit, che può assumere uno dei due stati: zero o uno. In un computer quantistico, l'elemento logico è un qubit, o bit quantistico, definito come qualsiasi sistema coerente a due livelli che può essere inizializzato, manipolato e letto.

"Se guardo lo stato di un bit, lo stato è zero o uno e questo porta a una misurazione deterministica, mentre il qubit ha una sovrapposizione di stati", afferma Massar.

"È una combinazione lineare di zero e uno contemporaneamente. Ma dopo la lettura, è zero o uno insieme a una certa probabilità - e questo porta alla misurazione probabilistica.

"Il computer quantistico ha un'altra caratteristica, l'entanglement. I classici stati dei bit sono indipendenti l'uno dall'altro, il che porta al fatto che N bit memorizzano N stati. Ma i qubit possono essere entanglement. Possono essere accoppiati, il che significa che N qubit possono "elaborare ' in un certo senso fino a due alla potenza di N stati. Quando applichiamo un'operazione logica a tutti questi stati contemporaneamente, otteniamo una parallelizzazione massiccia e una potenza di calcolo molto elevata."

Ma nessuna di queste promesse dell’informatica quantistica potrà mai realizzarsi finché qualcuno non troverà un modo per produrre qubit affidabili in modo ripetibile. I qubit sono attualmente implementati nei laboratori in modo personalizzato, ma i ricercatori di Imec vorrebbero cambiare la situazione. Hanno iniziato a cercare modi per produrre qubit su scala industriale.

"Per costruire un sistema da un milione di qubit, o semplicemente un computer quantistico significativo, è necessario ridurre la variabilità dei qubit e aumentare la resa di produzione, pur mantenendo la fedeltà e la coerenza", afferma Kristiaan De Greve, direttore scientifico e direttore del programma per Quantum. Informatica all'Imec.

"I metodi utilizzati da alcuni dei migliori laboratori di ricerca al mondo probabilmente non permetteranno di arrivare fino in fondo. Noi abbiamo un approccio diverso e stiamo cercando di vedere se possiamo utilizzare gli strumenti esistenti nell'industria dei semiconduttori, dove sono hanno prodotto circuiti molto complessi, con bassa variabilità e alta resa."

Esistono diversi approcci per implementare i qubit: ottica quantistica, ioni intrappolati, risonanza magnetica, superconduttori, posti vacanti di azoto nel diamante e punti quantici. I ricercatori dell'Imec si concentrano su due tecnologie: i dispositivi superconduttori e i punti quantici semiconduttori.

Uno dei motivi di queste scelte è che Imec vede queste tecnologie come modi promettenti per realizzare qubit di alta qualità. Ma la seconda ragione – la ragione principale per Imec – è che i qubit in queste due tecnologie possono essere fabbricati in un modo che sia compatibile di primo ordine con le strutture CMOS (metallo-ossido-semiconduttore complementare), strutture di cui Imec dispone di altissima qualità.

Una sfida con entrambi gli approcci è che funzionano a temperature molto basse. Per questo motivo Imec sta facendo ricerca anche nella crioelettronica, elettronica in grado di lavorare a temperature molto basse.

Imec mira a costruire qubit e array di qubit adatti e stabili insieme alle interfacce elettroniche necessarie, che consentano ai programmatori di impostare i qubit per eseguire un programma e quindi leggere i risultati.

Per scoprire tecniche di produzione ottimali, Imec ha avviato un processo di ricerca, in cui si provano diversi materiali, architetture e tecniche di produzione per produrre qubit e quindi si testano i risultati per misurare quali tecniche funzionano meglio.