Grazie al silicio, realizzata la prima “quantum gate” con transistor a singolo elettrone.

Rappresentazione artistica della porta logica a due qubit sviluppato presso l’UNSW. L’elettrone d’ognuno dei due qubit (nell’immagine, in rosso e in blu) ha uno spin, o un campo magnetico, indicato dalle frecce. Elettrodi di metallo sulla superficie sono utilizzati per manipolare i qubit, che interagiscono a formare uno stato d’entanglement. Crediti: Tony Melov / UNSW

Fonte: INAF

(articolo di Marco Malaspina)

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Descritta sulle pagine di Nature la prima “quantum gate” realizzata con transistor a singolo elettrone in silicio, dunque una tecnologia per molti aspetti matura. Si tratta di una porta CNOT – un XOR reversibile – e lo stato logico dei due qubit che la formano è dato dai rispettivi spin.

Saranno pure delle schegge, i computer quantistici. Ma se per funzionare richiedono bit futuristici fatti d’imperfezioni nel reticolo cristallino d’un diamante, oppure di ioni intrappolati in cavità ottiche magari a pochi gradi sopra lo zero assoluto o di altre diavolerie del genere, be’, come dire: qualche dubbio sull’effettiva possibilità d’averne a breve uno sulla nostra scrivania è giustificato. Ora però arriva dagli antipodi – o meglio, dalla University of New South Wales (UNSW) di Sydney, in Australia – una notizia che promette d’accorciare in modo drastico le distanze fra i tavoli dei laboratori di fisica quantistica e gli scaffali dei centri commerciali: sono state costruite le prime porte logiche quantistiche realizzate in silicio.

Descritto sulle pagine di Nature, l’oggetto messo a punto da Menno Veldhorst e colleghi, dal punto di vista fisico, è fatto di transistor come quelli presenti a miliardi nei chip dei nostri computer – non quantistici – di tutti i giorni. Transistor che nella quasi totalità dei casi si limitano a compiere operazioni su due bit di semplicità disarmante: quelle dell’algebra di Boole. Spesso una soltanto, quella dell’operatore NAND, in quanto da essa si possono derivare tutte le altre.

A differenza dei normali transistor, però, quelli quantistici realizzati nei laboratori della UNSW sono formati da un solo elettrone ciascuno, e lo stato binario non è dato dalla carica elettrica bensì dallo spin di quel singolo elettrone. Ebbene, questi qubit (bit quantistici, appunto) sono stati messi in relazione due a due, a formare porte logiche di tipo CNOT: un operatore quantistico equivalente a una porta XOR ma reversibile. A tutti gli effetti, una porta logica quantistica, in grado d’operare su bit che, a differenza di quelli della normale algebra di Boole, possono essere in condizione di sovrapposizione quantistica: ovvero, semplificando un po’, sia nello stato ‘0’ che nello stato ‘1’. Una caratteristica tanto bizzarra quanto ambita, soprattutto quando è richiesta l’abilità di compiere più operazioni in parallelo.

La vera svolta, però, in questo caso non è concettuale (già erano state realizzate porte logiche quantistiche) ma tecnologica: sta nell’essere riusciti a ottenere qubit quantistici usando il silicio. «Il chip di silicio del vostro smartphone o del vostro tablet già contiene al suo interno circa un miliardo di transistor, ognuno dei quali misura meno di 100 miliardesimi di metro. Assicurandoci che a ognuno di questi transistor in silicio fosse associato un solo elettrone, li abbiamo trasformati in bit quantistici», osserva Veldhorst. «Con questo risultato, possiamo dire che tutti i componenti fisici necessari alla costruzione di un computer quantistico al silicio sono stati realizzati».

A sottolineare la concretezza di questa svolta, c’è anche un brevetto: quello d’un «progetto per un vero e proprio chip quantistico in grado di contenere milioni dei nostri qubit», dice lo scienziato a capo del team, Andrew Dzurak, «tutti capaci d’eseguire questo tipo di calcoli che abbiamo appena dimostrato sperimentalmente». Ora, aggiunge, si tratta soprattutto di trovare i partner industriali più adatti per passare alla costruzione su grande scala. Insomma, magari sotto l’albero di Natale per quest’anno ancora no, ma presto un tablet quantistico nello zainetto potrebbe non essere più fantascienza.

Per saperne di più:

• Leggi l’articolo “A Two Qubit Logic Gate in Silicon“, di M. Veldhorst, C.H. Yang, J.C.C. Hwang, W. Huang, J.P. Dehollain, J.T. Muhonen, S. Simmons, A. Laucht, F.E. Hudson, K.M. Itoh, A. Morello e A.S. Dzurak.

Guarda su YouTube l’intervista ad Andrew Dzurak e Menno Veldhorst: