Alla fine dello scorso anno, il colosso tecnologico IBM ha annunciato quella che potrebbe sembrare una pietra miliare nell’informatica quantistica: il primo chip in assoluto, chiamato Condor, con più di 1,000 bit quantistici, o qubit. Dato che erano trascorsi appena due anni dalla presentazione dell’Eagle, il primo chip con più di 100 qubit, sembrava che il campo stesse facendo passi da gigante. Realizzare computer quantistici in grado di risolvere problemi utili che vanno oltre la portata anche dei più potenti supercomputer classici di oggi richiede di aumentarli ancora di più, forse fino a molte decine o centinaia di migliaia di qubit. Ma sicuramente è solo una questione di ingegneria, giusto?

Non necessariamente. Le sfide legate all’espansione sono così grandi che alcuni ricercatori pensano che richiederà hardware totalmente diverso dalla microelettronica utilizzata da aziende del calibro di IBM e Google. I qubit del Condor e del chip Sycamore di Google sono costituiti da anelli di materiale superconduttore. Questi qubit superconduttori sono stati finora la lepre nella corsa verso l’informatica quantistica su vasta scala. Ma ora c'è una tartaruga che arriva da dietro: qubit costituiti da singoli atomi.

I recenti progressi hanno trasformato questi “qubit ad atomi neutri” da outsider a principali contendenti.

"Gli ultimi due o tre anni hanno visto progressi più rapidi di qualsiasi periodo precedente", ha affermato il fisico Mark Saffman dell'Università del Wisconsin, Madison, che ha contato almeno cinque aziende in corsa per commercializzare il calcolo quantistico ad atomo neutro.

Come i bit nei normali computer, i qubit codificano informazioni binarie: 1 e 0. Ma mentre un bit è sempre in uno stato o nell’altro, l’informazione in un qubit può essere lasciata indeterminata, in una cosiddetta “sovrapposizione” che dà peso ad entrambe le possibilità. Per effettuare un calcolo, i qubit vengono collegati utilizzando il fenomeno chiamato entanglement quantistico, che rende i loro possibili stati interdipendenti. Un particolare algoritmo quantistico potrebbe richiedere una successione di entanglement tra diversi insiemi di qubit, e la risposta viene letta alla fine del calcolo quando viene effettuata una misurazione, riducendo ciascuna sovrapposizione a un 1 o 0 definito.

L'idea di utilizzare gli stati quantistici degli atomi neutri per codificare le informazioni in questo modo era proposto nei primi anni 2000 dal fisico di Harvard Mikhail Lukin e colleghi, e anche da un gruppo guidato da Ivan Deutsch dell'Università del Nuovo Messico. Per molto tempo, la più ampia comunità di ricerca ha convenuto che il calcolo quantistico con atomi neutri fosse una grande idea in linea di principio, ha detto Lukin, ma che “semplicemente non funziona” nella pratica.

"Ma 20 anni dopo, gli altri approcci non hanno portato a termine l'accordo", ha detto Saffman. “E le competenze e le tecniche necessarie per far funzionare gli atomi neutri si sono gradualmente evolute fino al punto in cui sembrano molto promettenti”.

Il laboratorio di Lukin ad Harvard è stato tra quelli che hanno aperto la strada. A dicembre lui e i suoi colleghi segnalati di aver creato circuiti quantistici programmabili con centinaia di qubit di atomi neutri e di aver eseguito calcoli quantistici e correzione di errori con essi. E questo mese, un team del California Institute of Technology segnalati che hanno creato una serie di 6,100 qubit atomici. Tali risultati stanno conquistando sempre più persone a questo approccio.

"Dieci anni fa non avrei incluso questi metodi [dell'atomo neutro] se avessi scommesso sul futuro dell'informatica quantistica", ha affermato Andrea Steane, teorico dell'informazione quantistica presso l'Università di Oxford. "Sarebbe stato un errore."

Battaglia di Qubit

Una questione chiave nella competizione tra i tipi di qubit è per quanto tempo ciascun tipo di qubit può mantenere la sua sovrapposizione prima di essere alterata da qualche fluttuazione casuale (ad esempio termica). Per i qubit superconduttori come quelli di IBM e Google, questo "tempo di coerenza" è in genere intorno al millisecondo, nella migliore delle ipotesi. Tutte le fasi di un calcolo quantistico devono avvenire entro tale intervallo di tempo.

Un vantaggio della codifica delle informazioni negli stati dei singoli atomi è che i loro tempi di coerenza sono tipicamente molto più lunghi. Inoltre, a differenza dei circuiti superconduttori, gli atomi di un dato tipo sono tutti identici, quindi non sono necessari sistemi di controllo su misura per inserire e manipolare stati quantistici leggermente diversi.

E mentre il cablaggio utilizzato per collegare i qubit superconduttori nei circuiti quantistici può diventare orribilmente complicato, tanto più quanto il sistema si espande, nel caso degli atomi non è necessario alcun cablaggio. Tutto l'intreccio viene eseguito utilizzando la luce laser.

Questo vantaggio inizialmente rappresentava una sfida. Esiste una tecnologia ben sviluppata per ricavare complicati circuiti e fili microelettronici, e una probabile ragione per cui IBM e Google hanno inizialmente investito in qubit superconduttori non è perché fossero ovviamente i migliori, ma perché richiedevano il tipo di circuiti a cui tali aziende sono abituate, ha affermato Stuart Adams, un fisico dell'Università di Durham nel Regno Unito che lavora sul calcolo quantistico con atomi neutri. “L’ottica atomica basata sul laser sembrava loro del tutto sconosciuta. Tutta l’ingegneria è completamente diversa”.

Anche i qubit costituiti da atomi caricati elettricamente, noti come ioni, possono essere controllati con la luce e gli ioni sono stati a lungo considerati candidati qubit migliori rispetto agli atomi neutri. A causa della loro carica, gli ioni sono relativamente facili da intrappolare nei campi elettrici. I ricercatori hanno creato trappole ioniche sospendendo gli ioni in una minuscola cavità sotto vuoto a temperature ultrabasse (per evitare oscillazioni termiche) mentre i raggi laser li commutano tra diversi stati energetici per manipolare le informazioni. Sono stati ora dimostrati computer quantistici con trappola ionica con dozzine di qubit e diverse startup stanno sviluppando la tecnologia per la commercializzazione. "Finora, il sistema con le prestazioni più elevate in termini di fedeltà, controllo e coerenza è stato quello degli ioni intrappolati", ha affermato Saffman.

Intrappolare gli atomi neutri è più difficile perché non c'è alcuna carica a cui aggrapparsi. Invece, gli atomi sono immobilizzati all’interno di campi di luce intensa creati da raggi laser, chiamati pinzette ottiche. Gli atomi tipicamente preferiscono sedersi dove il campo luminoso è più intenso.

E c'è un problema con gli ioni: hanno tutti una carica elettrica dello stesso segno. Ciò significa che i qubit si respingono a vicenda. Concentrarne molti nello stesso piccolo spazio diventa più difficile quanto più ioni ci sono. Con gli atomi neutri non esiste tale tensione. Questo, dicono i ricercatori, rende i qubit ad atomi neutri molto più scalabili.

Inoltre, gli ioni intrappolati sono disposti in fila (o, recentemente, in un circuito “pista"). Questa configurazione rende difficile l'entanglement di un qubit ionico con un altro che si trova, diciamo, a 20 posti lungo la fila. "Le trappole ioniche sono intrinsecamente unidimensionali", ha detto Adams. "Bisogna disporli in fila, ed è molto difficile immaginare come si possa arrivare a mille qubit in questo modo."

Gli array di atomi neutri possono essere una griglia bidimensionale, che è molto più facile da ingrandire. "Puoi inserire molte cose nello stesso sistema e non interagiscono quando non vuoi che lo facciano", ha detto Saffman. Il suo gruppo e altri hanno intrappolato oltre 1,000 atomi neutri in questo modo. "Crediamo di poterne confezionare decine o addirittura centinaia di migliaia in un dispositivo di dimensioni centimetriche", ha affermato.

Infatti, nel loro recente lavoro, il team del Caltech ha creato una serie di pinzette ottiche di circa 6,100 atomi neutri di cesio, sebbene non abbiano ancora eseguito alcun calcolo quantistico con essi. Questi qubit avevano anche tempi di coerenza di ben 12.6 secondi, un record finora per questo tipo di qubit.

Il blocco di Rydberg

Affinché due o più qubit diventino entangled, devono interagire tra loro. Gli atomi neutri “sentono” la presenza l'uno dell'altro tramite le cosiddette forze di van der Waals, che derivano dal modo in cui un atomo risponde alle fluttuazioni nella nuvola di elettroni in un altro atomo vicino. Ma queste deboli forze si avvertono solo quando gli atomi sono estremamente vicini tra loro. Manipolare gli atomi normali con la precisione richiesta utilizzando campi luminosi non è semplicemente possibile.

Come Lukin e i suoi colleghi sottolinearono nella loro proposta originale del 2000, la distanza di interazione può aumentare notevolmente se aumentiamo le dimensioni degli atomi stessi. Più energia ha un elettrone, più tende ad allontanarsi dal nucleo atomico. Se un laser viene utilizzato per pompare un elettrone in uno stato energetico molto più grande di quello che normalmente si trova negli atomi – chiamato stato Rydberg dal nome del fisico svedese Johannes Rydberg, che nel 1880 studiò il modo in cui gli atomi emettono luce a lunghezze d’onda discrete – l’elettrone può allontanarsi migliaia di volte dal nucleo rispetto al solito.

Questo aumento di dimensione consente a due atomi tenuti a diversi micrometri di distanza – perfettamente fattibile nelle trappole ottiche – di interagire.

Per implementare un algoritmo quantistico, i ricercatori prima codificano le informazioni quantistiche in una coppia di livelli di energia atomica, utilizzando i laser per scambiare gli elettroni tra i livelli. Quindi intrecciano gli stati degli atomi attivando le interazioni Rydberg tra di loro. Un dato atomo può essere eccitato allo stato Rydberg o meno, a seconda di quale dei due livelli energetici si trova il suo elettrone: solo uno di questi si trova alla giusta energia per risuonare con la frequenza del laser di eccitazione. E se l'atomo sta interagendo con un altro, questa frequenza di eccitazione cambia leggermente in modo che l'elettrone non risuoni con la luce e non sia in grado di fare il salto. Ciò significa che solo l'uno o l'altro di una coppia di atomi interagenti può sostenere uno stato di Rydberg in qualsiasi momento; i loro stati quantistici sono correlati o, in altre parole, intrecciati. Innanzitutto il cosiddetto blocco Rydberg proposto da Lukin e colleghi nel 2001 come un modo per intrecciare i qubit dell'atomo Rydberg, è un effetto tutto o niente: o c'è un blocco Rydberg o non c'è. “Il blocco Rydberg rende digitali le interazioni tra gli atomi”, ha detto Lukin.

Alla fine del calcolo, i laser leggono gli stati degli atomi: se un atomo è nello stato di risonanza con l'illuminazione, la luce viene diffusa, ma se è nell'altro stato, non c'è dispersione.

Nel 2004, un team dell'Università del Connecticut dimostrato un blocco Rydberg tra atomi di rubidio, intrappolati e raffreddati a soli 100 microkelvin sopra lo zero assoluto. Hanno raffreddato gli atomi utilizzando i laser per "risucchiare" l'energia termica degli atomi. L’approccio implica che, a differenza dei qubit superconduttori, gli atomi neutri non richiedono raffreddamento criogenico né refrigeranti ingombranti. Questi sistemi possono quindi essere resi molto compatti. "L'apparato nel suo insieme è a temperatura ambiente", ha detto Saffman. "A un centimetro di distanza da questi atomi super freddi, hai una finestra a temperatura ambiente."

Nel 2010 Saffman e i suoi collaboratori segnalati la prima porta logica – un elemento fondamentale dei computer, in cui uno o più segnali binari di ingresso generano un particolare output binario – realizzata da due atomi utilizzando il blocco Rydberg. Poi, soprattutto, nel 2016, il team di Lukin e i gruppi di ricerca in Francia e Corea del Sud indipendentemente capito come caricare molti atomi neutri in schiere di trappole ottiche e spostarle a piacimento. "Questa innovazione ha portato nuova vita sul campo", ha affermato Stephan Dürr dell’Istituto Max Planck di ottica quantistica di Garching, in Germania, che utilizza gli atomi di Rydberg per esperimenti sull’elaborazione dell’informazione quantistica basata sulla luce.

Gran parte del lavoro finora utilizza atomi di rubidio e cesio, ma il fisico Jeff Thompson dell'Università di Princeton preferisce codificare l'informazione negli stati di spin nucleare di atomi di metalli come lo stronzio e l'itterbio, che hanno tempi di coerenza ancora più lunghi. Lo scorso ottobre, Thompson e colleghi segnalati porte logiche a due qubit realizzate da questi sistemi.

E i blocchi di Rydberg non devono necessariamente avvenire tra atomi solitari. L'estate scorsa, Adams e i suoi colleghi ha mostrato che avrebbero potuto creare un blocco Rydberg tra un atomo e una molecola intrappolata, che hanno realizzato artificialmente utilizzando pinzette ottiche per avvicinare un atomo di cesio a un atomo di rubidio. Il vantaggio dei sistemi ibridi atomo-molecola è che gli atomi e le molecole hanno energie molto diverse, il che potrebbe rendere più semplice manipolarne uno senza influenzare gli altri. Inoltre, i qubit molecolari possono avere tempi di coerenza molto lunghi. Adams sottolinea che tali sistemi ibridi sono almeno 10 anni indietro rispetto ai sistemi composti solo da atomi e che l'entanglement di due di questi qubit deve ancora essere raggiunto. “I sistemi ibridi sono davvero difficili”, ha detto Thompson, “ma probabilmente saremo costretti a realizzarli prima o poi”.

Qubit ad alta fedeltà

Nessun qubit è perfetto: tutti possono incorrere in errori. E se questi non vengono rilevati e non corretti, confondono il risultato del calcolo.

Ma un grosso ostacolo all’informatica quantistica è che gli errori non possono essere identificati e corretti come avviene per i computer classici, dove un algoritmo tiene semplicemente traccia degli stati in cui si trovano i bit eseguendo delle copie. La chiave dell’informatica quantistica è che gli stati dei qubit rimangono indeterminati fino alla lettura del risultato finale. Se provi a misurare quegli stati prima di quel punto, interrompi il calcolo. Come è possibile, allora, proteggere i qubit da errori che non possiamo nemmeno monitorare?

Una risposta è distribuire le informazioni su molti qubit fisici, costituendo un singolo "qubit logico", in modo che un errore in uno di essi non corrompe le informazioni che codificano collettivamente. Ciò diventa pratico solo se il numero di qubit fisici necessari per ciascun qubit logico non è troppo elevato. Questo sovraccarico dipende in parte dall'algoritmo di correzione degli errori utilizzato.

I qubit logici con correzione degli errori sono stati dimostrati con qubit superconduttori e con ioni intrappolati, ma fino a poco tempo fa non era chiaro se potessero essere realizzati da atomi neutri. La situazione è cambiata a dicembre, quando il team di Harvard ha svelato array di diverse centinaia di atomi di rubidio intrappolati e ha eseguito algoritmi su 48 qubit logici, ciascuno composto da sette o otto atomi fisici. I ricercatori hanno utilizzato il sistema per condurre una semplice operazione logica chiamata porta NOT controllata, in cui gli stati 1 e 0 di un qubit vengono invertiti o lasciati invariati a seconda dello stato di un secondo qubit “di controllo”. Per condurre i calcoli, i ricercatori hanno spostato gli atomi tra tre regioni distinte nella camera di intrappolamento: una serie di atomi, una regione di interazione (o “zona gate”) in cui atomi specifici venivano trascinati e impigliati utilizzando il blocco Rydberg e una zona di lettura . Tutto è reso possibile, ha detto Adams, perché "il sistema Rydberg ti offre tutta questa capacità di mescolare i qubit e decidere chi interagisce con chi, il che ti dà una flessibilità che i qubit superconduttori non hanno".

Il team di Harvard ha dimostrato tecniche di correzione degli errori per alcuni semplici algoritmi di qubit logici, anche se per quelli più grandi, con 48 qubit logici, hanno ottenuto semplicemente il rilevamento degli errori. Secondo Thompson, questi ultimi esperimenti hanno dimostrato che “possono rifiutare preferenzialmente i risultati delle misurazioni con errori, e quindi identificare un sottoinsieme di risultati con errori minori”. Questo approccio è chiamato post-selezione e, sebbene possa svolgere un ruolo nella correzione degli errori quantistici, non risolve da solo il problema.

Gli atomi di Rydberg potrebbero prestarsi a nuovi codici di correzione degli errori. Quello utilizzato nel lavoro di Harvard, chiamato codice di superficie, “è molto popolare ma anche molto inefficiente”, ha detto Saffman; tende a richiedere molti qubit fisici per creare un qubit logico. Altri codici di correzione degli errori proposti, più efficienti, richiedono interazioni a lungo raggio tra qubit, non solo accoppiamenti del vicino più vicino. I professionisti dell'informatica quantistica ad atomi neutri ritengono che le interazioni Rydberg a lungo raggio dovrebbero essere all'altezza del compito. “Sono estremamente ottimista sul fatto che gli esperimenti nei prossimi due o tre anni ci mostreranno che le spese generali non devono essere così gravi come si pensava”, ha detto Lukin.

Anche se c’è ancora molto da fare, Steane considera il lavoro di Harvard “un cambiamento radicale nel grado in cui i protocolli di correzione degli errori sono stati realizzati in laboratorio”.

Spin-off

Progressi come questi hanno permesso ai qubit dell'atomo di Rydberg di competere anche con i loro concorrenti. "La combinazione di porte ad alta fedeltà, un gran numero di qubit, misurazioni ad alta precisione e connettività flessibile ci consente di considerare l'array di atomi di Rydberg come un vero concorrente dei qubit superconduttori e con ioni intrappolati", ha affermato Steane.

Rispetto ai qubit superconduttori, la tecnologia costa una frazione del costo di investimento. Il gruppo di Harvard ha una società spin-off chiamata QuEra, che ha già realizzato un processore quantistico Rydberg da 256 qubit chiamato Aquila - un "simulatore quantistico" analogico che può eseguire simulazioni di sistemi di molte particelle quantistiche - disponibile sul cloud in collaborazione con la piattaforma di calcolo quantistico Braket di Amazon. QuEra sta anche lavorando per migliorare la correzione degli errori quantistici.

Saffman è entrato a far parte di una società chiamata Inflessione, che sta sviluppando la piattaforma ottica ad atomo neutro per sensori e comunicazioni quantistici, nonché per l'informatica quantistica. "Non mi sorprenderei se una delle grandi aziende IT stringesse presto una sorta di partnership con uno di questi spin-off", ha detto Adams.

"Effettuare una correzione scalabile degli errori con qubit ad atomi neutri è sicuramente possibile", ha affermato Thompson. “Penso che 10,000 qubit ad atomi neutri siano chiaramente possibili entro pochi anni”. Oltre a ciò, ritiene che saranno necessarie limitazioni pratiche alla potenza e alla risoluzione del laser disegni modulari in cui diversi array di atomi distinti sono collegati insieme.

Se ciò accade, chissà cosa ne verrà fuori? "Non sappiamo nemmeno ancora cosa possiamo fare con l'informatica quantistica", ha detto Lukin. “Spero davvero che questi nuovi progressi ci aiuteranno a rispondere a queste domande”.