Superato un ostacolo decisivo verso il computer quantistico

Un gruppo di fisici di Harvard, in collaborazione con il MIT e la startup QuEra Computing, ha compiuto un passo storico nello sviluppo del calcolo quantistico: la realizzazione di un sistema in grado di operare con oltre 3.000 qubit (bit quantistici) in modo continuo, senza la necessità di riavvii. È la prima macchina quantistica a raggiungere questa stabilità operativa, un traguardo che apre la strada alla costruzione di supercomputer capaci di rivoluzionare scienza, medicina, finanza e tecnologia.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature, descrive una piattaforma basata su atomi neutri — una delle architetture più promettenti per i computer quantistici — capace di mantenere le informazioni quantistiche per più di due ore consecutive. Fino a oggi, i sistemi sperimentali dovevano essere fermati e ricaricati frequentemente, a causa della perdita di atomi che comportava l’azzeramento dei dati memorizzati.

Mikhail Lukin, professore di fisica e co-direttore della Quantum Science and Engineering Initiative di Harvard, spiega l’importanza di questo risultato: «Abbiamo dimostrato un funzionamento continuo con un sistema da 3.000 qubit. Ma sappiamo che questo approccio potrà essere esteso a numeri ancora maggiori».

A differenza dei computer tradizionali, che codificano l’informazione in bit (0 o 1), i computer quantistici sfruttano le leggi della meccanica quantistica: un qubit può trovarsi in uno stato di 0, di 1 o in una sovrapposizione dei due. Questa proprietà, insieme al fenomeno dell’entanglement, consente un aumento esponenziale della potenza di calcolo man mano che cresce il numero di qubit. Tuttavia, realizzare e mantenere sistemi stabili con migliaia di qubit è sempre stato uno dei principali ostacoli.

Il problema più critico è noto come atom loss: gli atomi che fungono da qubit tendono a sfuggire dal sistema, portando con sé le informazioni codificate. Finora, ciò costringeva i ricercatori a interrompere gli esperimenti per “ricaricare” la macchina. La svolta è arrivata grazie a una combinazione di tecniche ottiche avanzate.

Il team ha sviluppato un metodo per rifornire costantemente gli atomi persi attraverso “nastri trasportatori ottici” — onde laser che spostano gli atomi — e “pinzette ottiche” che li catturano e li dispongono in reticoli ordinati. Questo sistema è in grado di reinserire fino a 300.000 atomi al secondo senza disturbare quelli già presenti.

«Abbiamo trovato un modo per sostituire gli atomi man mano che si perdono, senza distruggere l’informazione esistente», spiega Elias Trapp, dottorando e coautore dello studio. «È la soluzione a uno dei principali colli di bottiglia del calcolo quantistico basato su atomi neutri».

Durante i test, la macchina è riuscita a mantenere in funzione un reticolo di oltre 3.000 qubit per oltre due ore consecutive, con oltre 50 milioni di atomi che sono stati ciclicamente sostituiti. In teoria, sottolineano i ricercatori, il sistema potrebbe continuare a operare indefinitamente.

Il primo autore dello studio, Neng-Chun Chiu, dottorando di Harvard, riassume così l’innovazione: «La nostra forza è la combinazione di tre fattori — la scala del sistema, la conservazione dell’informazione quantistica e la velocità del processo. Tutto questo rende la tecnologia finalmente utile su larga scala».

Il team ha inoltre dimostrato che la macchina può riconfigurare dinamicamente le connessioni tra qubit durante l’elaborazione, rendendo il processore “adattivo”. «Possiamo letteralmente riconfigurare il computer quantistico mentre funziona», afferma Lukin. «In pratica, diventa un sistema vivente».

In esperimenti paralleli, i ricercatori hanno pubblicato altri due studi su Nature: uno che mostra come questa architettura possa simulare magneti quantistici esotici, e un altro dedicato a nuove strategie di correzione degli errori, una delle sfide più difficili per i computer quantistici.

Lukin si dice ottimista sul futuro della tecnologia: «Per la prima volta possiamo immaginare computer quantistici in grado di eseguire miliardi di operazioni e funzionare per giorni senza interruzioni. Il sogno sta finalmente diventando realtà».

Il progetto ha ricevuto finanziamenti dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, dalla DARPA, dalla National Science Foundation e da altri enti federali, confermando il ruolo centrale di Harvard e MIT nella corsa globale verso l’era del calcolo quantistico.