Il PSI e il Politecnico di Zurigo hanno fondato il Quantum Computing Hub. I migliori ricercatori lavorano insieme su concetti di computer quantistici che un giorno supereranno di gran lunga i computer convenzionali in alcuni compiti di calcolo.
Se si dovesse stilare un elenco dei principali ricercatori al mondo nel campo dell'informatica quantistica, Jonathan Home e Andreas Wallraff sarebbero ai primi posti. I due professori di fisica del Politecnico di Zurigo sono maestri nel loro campo, e non sono i soli: negli ultimi anni, la Svizzera ha acquisito una competenza nella ricerca quantistica in grado di tenere il passo con le grandi nazioni. Ci sono anche numerose giovani aziende che sviluppano tecnologie quantistiche, come Zurich Instruments e ID Quantique.
Quindi va tutto bene? Non proprio: "La tecnologia quantistica ha fatto un grande passo avanti verso l'applicazione", afferma Gabriel Aeppli, responsabile della divisione Photon Research del PSI. "Ciò richiede ora esperti con competenze che vanno ben oltre quelle che anche una rinomata università come il Politecnico di Zurigo può fornire, soprattutto ingegneri in grado di tradurre i risultati della ricerca in prototipi funzionanti". Ed è qui che entra in gioco il PSI. "Un laboratorio nazionale come il PSI riunisce tutte le competenze necessarie per questo scale-up", afferma Aeppli. Si tratta della transizione da un esperimento di base a una tecnologia che sarà in grado di risolvere problemi reali - e infine commerciali - nel prossimo futuro.
Il PSI ha dimostrato per anni di poterlo fare in strutture di ricerca su larga scala come la Swiss Light Source SLS e il laser a elettroni liberi a raggi X SwissFEL, dove sono necessarie tecnologie che non possono essere semplicemente acquistate ovunque. In quanto laboratorio nazionale, il PSI beneficia del fatto che esperti con esperienza possono lavorare su sfide complesse per un lungo periodo di tempo. Questo non è il caso di un gruppo di ricerca universitario. "Abbiamo molti scienziati di talento che devono lasciare il team dopo pochi anni, di solito dopo aver completato il loro dottorato", dice Jonathan Home. Una scalata come quella del PSI non è quindi possibile in linea di principio al Politecnico di Zurigo.
Il Politecnico di Zurigo e il PSI hanno riconosciuto che le due istituzioni si completano a vicenda nello sviluppo dei computer quantistici. Per questo motivo stanno creando congiuntamente il Quantum Computing Hub. In termini organizzativi, questa struttura di ricerca è assegnata alla divisione Photon Research di Gabriel Aeppli e, al suo interno, al Laboratory for Nano and Quantum Technologies. Il Quantum Computing Hub si trova nel sito del PSI vicino a Villigen, dove è stato ristrutturato un edificio per la ricerca quantistica. I ricercatori stanno seguendo diversi approcci per la realizzazione di un computer quantistico.
Nel seminterrato, il team guidato da Jonathan Home, professore di Informazione Quantistica Sperimentale, sta costruendo circuiti quantistici basati su trappole ioniche. Al piano superiore, Andreas Wallraff, professore di fisica dello stato solido, sta lavorando sugli stessi temi. Tuttavia, lui e il suo team utilizzano componenti superconduttori ultrafreddi. Quest'anno si uniranno a loro altri due gruppi di ricerca, che perseguiranno altri concetti per la costruzione di computer quantistici. L'hub è destinato a passare dagli attuali venti ricercatori a cento in cinque anni. Inoltre, nel nuovo Park Innovaare, nelle immediate vicinanze del PSI, si sta costruendo una camera bianca con impianti di nanofabbricazione, dove i ricercatori produrranno i propri qubit, la base di ogni computer quantistico.
Questa crescita sarà organizzata da Kirsten Moselund, che dal febbraio 2022 dirige il Laboratory for Nano and Quantum Technologies del PSI e quindi anche il Quantum Computing Hub. La professoressa di elettronica e microtecnica dell'EPFL ha lavorato in precedenza presso il laboratorio di ricerca IBM di Rüschlikon, dove si è occupata di nanofotonica. "Nel nuovo hub riuniamo le tecnologie quantistiche e una solida piattaforma tecnologica", afferma Moselund. C'è una vera e propria corsa ai computer quantistici, simile a quella per il primo sbarco sulla Luna con equipaggio. Moselund vede l'hub in un'ottima posizione di partenza: "Il Politecnico di Zurigo e il PSI si completano a vicenda molto bene. E con strutture di ricerca su larga scala come SLS e SwissFEL, abbiamo possibilità che altri non hanno, ad esempio se vogliamo studiare i difetti nei materiali per i futuri chip quantistici".
Tuttavia, un problema così complesso come la realizzazione di un computer quantistico adatto all'uso quotidiano richiede numerose collaborazioni. Per questo motivo i ricercatori del PSI stanno lavorando con molte altre istituzioni, prima fra tutte il Centro nazionale svizzero di competenza per la ricerca (NCCR) MARVEL, che ha sede all'EPFL ed è diretto da Nicola Marzari, professore dell'EPFL.
Non esistono ancora computer quantistici universali e tolleranti ai guasti disponibili in commercio. Tali dispositivi, come quelli sviluppati da IBM o Google, hanno attualmente poco più di un centinaio di qubit. Poiché ogni qubit può assumere non solo gli stati zero e uno, ma qualsiasi numero di stati, e poiché i qubit sono "entangled" l'uno con l'altro, poche decine di qubit possono elaborare problemi che sarebbero troppo complessi anche per microprocessori con miliardi di transistor. Nei computer quantistici presentati finora, tuttavia, solo pochi qubit sono entangled l'uno con l'altro in ogni momento, il che limita la potenza di calcolo effettiva.
"I ricercatori si divertono già oggi con i computer quantistici", afferma Cornelius Hempel, responsabile del gruppo di calcolo quantistico con trappole ioniche del PSI. In fisica, ci sono domande che possono già essere risolte con cinquanta qubit. Al Politecnico di Zurigo, il team di Hempel è riuscito a intrappolare gruppi di atomi in una trappola di ioni utilizzando campi elettromagnetici, influenzandoli con la luce laser e permettendo loro di eseguire operazioni di calcolo logico. Il PSI sta progettando microchip con decine di trappole ioniche, tra le quali gli ioni possono essere spinti avanti e indietro e che si combinano per formare un chip quantistico più grande. La luce laser viene immessa nel chip attraverso sottili fibre luminose e manipola gli atomi cambiando i loro stati energetici mentre i campi elettrici li spostano avanti e indietro. Questi atomi, tutti con le stesse proprietà, sono qubit perfetti. La sfida è controllarli. Per le applicazioni pratiche nell'industria, questo aspetto è attualmente ancora poco interessante. Un esempio: La nitrogenasi è un enzima che i batteri usano per legare l'azoto dell'aria, che serve come fertilizzante naturale per le piante. Oggi il fertilizzante artificiale viene prodotto con il processo Haber-Bosch, come cento anni fa, con un notevole dispendio di energia. Se sapessimo come funziona l'enzima e potessimo riprodurlo, sarebbe una svolta per l'approvvigionamento alimentare dell'umanità. Tuttavia, anche i supercomputer non sono ancora in grado di risolvere questo enigma. Tuttavia, un computer quantistico con un migliaio di qubit privi di errori potrebbe modellare l'enzima in pochi milioni di operazioni aritmetiche.
L'accento è posto su "senza errori". Questo perché i qubit oggi calcolano con un tasso di errore dell'uno per cento, che è decisamente eccessivo. Per fare un confronto: un transistor sbaglia in media solo una volta su 1027 (un numero con 27 zeri) operazioni aritmetiche. La soluzione è rappresentata dai qubit logici, che consistono in diversi qubit fisici e possono riconoscere ed eliminare gli errori. La correzione degli errori è già stata dimostrata su piccola scala nei laboratori di Wallraff e Home, ma la correzione degli errori sta migliorando con l'uso di sistemi sempre più grandi. Per il problema della nitrogenasi, secondo alcune stime, sarebbero necessari circa mille qubit fisici per un qubit logico a prova di errore, il che significa che il numero di qubit nel computer dovrebbe essere di circa un milione.
Da centoventisette qubit fisici, che IBM ha recentemente dimostrato in un chip, a un milione di qubit? Sembra solo una questione di scalare la produzione. Purtroppo, non c'è modo di costruire sistemi più grandi e complessi senza introdurre ulteriori errori nel sistema. In questo senso, tutte le storie di successo che Google, IBM e Amazon pubblicizzano regolarmente dovrebbero essere trattate con cautela. Si tratta di dispositivi difettosi che non possono ancora sfruttare direttamente i vantaggi di un maggior numero di qubit. Il computer quantistico che si può mettere sulla scrivania per risolvere problemi reali non esisterà nei prossimi dieci anni, forse mai. Tuttavia, i ricercatori sono fiduciosi che i computer quantistici commerciali siano possibili. Un computer di questo tipo, con milioni di qubit, potrebbe lavorare in un centro dati accanto ai supercomputer convenzionali.
Anche Alexander Grimm, fisico del PSI, sta lavorando al problema della suscettibilità alle interferenze. A gennaio di quest'anno ha ottenuto una sovvenzione ERC per il suo nuovo progetto COOLCCAT, con finanziamenti di ricerca per un totale di milioni. Grimm vuole creare un tipo di qubit che sia il più stabile possibile di fronte ai disturbi. I suoi candidati: Qubit oscillatori, noti anche come qubit bosonici. Questi consistono, ad esempio, in un pezzo di metallo superconduttore estremamente sottile e stretto, lungo pochi millimetri.
Non è ancora chiaro quale concetto di qubit prevarrà. Oltre ai qubit superconduttori e alle trappole ioniche, i ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando su una mezza dozzina di altre idee, che saranno perseguite anche dal Quantum Computing Hub se emergeranno concetti di realizzazione promettenti. Cornelius Hempel, ad esempio, ipotizza che ci possano essere anche opzioni completamente nuove: "Chissà, forse i nostri colleghi dell'SLS o dello SwissFEL troveranno un nuovo materiale che potremo usare per costruire qubit molto migliori".
La Svizzera ha bisogno di una forte presenza nelle tecnologie quantistiche.
Per Kirsten Moselund, non c'è alternativa a un centro di calcolo quantistico. "La Svizzera ha bisogno di una forte presenza nelle tecnologie quantistiche", chiede l'ingegnere. I computer quantistici commerciali, come quelli che Google, Amazon e simili presumibilmente offriranno prima o poi come servizio cloud, sono una scatola nera che non può essere esaminata. Moselund: "Per poter usare i computer quantistici in modo sensato, dobbiamo sapere cosa succede sotto il cofano. E questo è ciò che offriamo al PSI".
Testo: Bernd Müller
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