Thomas Werner
Una svolta nei computer quantistici superconduttori potrebbe renderli più scalabili utilizzando fibre ottiche anziché sistemi elettrici ingombranti. Questo progresso potrebbe consentire il calcolo quantistico su larga scala e persino per le macchine quantistiche in rete
Si prevede che il rapido sviluppo di hardware quantistico superconduttore si imbatte in restrizioni sostanziali sulla scalabilità perché la correzione degli errori in un ambiente criogenico ha rigorosi requisiti di input - output. I data center classici si basano su interconnessioni in fibra ottica per rimuovere colli di bottiglia di networking simili. Nello stesso spirito, sono stati proposti e utilizzati collegamenti elettro-ottici UltraCold per generare segnali di controllo del qubit o per sostituire l'elettronica di lettura criogenica. Finora, questi approcci hanno sofferto di bassa efficienza, bassa larghezza di banda o rumore aggiuntivo.
Qubits - Le unità fondamentali delle informazioni quantistiche - guidano interi settori tecnologici. Tra questi, i qubit superconducenti potrebbero essere determinanti nella costruzione di un computer quantistico su larga scala, ma si basano su segnali elettrici e sono difficili da scalare. In una svolta, un team di fisici dell'Institute of Science and Technology Austria (ISTA) ha raggiunto una lettura completamente ottica di qubit superconduttori, spingendo la tecnologia oltre i suoi attuali limiti. Le loro scoperte sono state pubblicate in Nature Physics (1)
Dopo una manifestazione di un anno, le scorte di calcolo quantistico sono state portate a appena pochi giorni nell'anno internazionale della scienza e della tecnologia quantistiche. Il motivo di questa improvvisa battuta d'arresto è stata il keynote del CEO di Nvidia Jensen Huang alla fiera tecnologica del CES 2025, dove ha previsto che i “computer quantistici molto utili” erano ancora due decenni lungo la strada.
A parte i mercati azionari e le fiere tecnologiche, la gara continua fortemente verso computer quantistici scalabili che potrebbero eseguire alcuni calcoli esponenzialmente più veloci dei computer “classici”. Sebbene questo promettente “vantaggio quantistico” abbia comportato il rapido sviluppo di hardware quantistico, molti ostacoli tecnici devono ancora essere superati prima che i computer quantistici diventino “utili”.
Ora, un team di fisici del gruppo del professor Johannes Fink (2) presso l'Institute of Science and Technology Austria (ISTA) è riuscito a superare un'importante limitazione, che potrebbe aiutare a far crescere i computer quantistici. Assicurandosi che i qubit comprendano il linguaggio della fibra ottica, il team ha ridotto notevolmente la quantità di hardware criogenico necessario per misurarli. «Questo nuovo approccio potrebbe consentirci di aumentare il numero di qubit in modo che diventino utili per il calcolo. Pone inoltre le basi per la costruzione di una rete di computer quantistici superconduttori collegati tramite fibre ottiche a temperatura ambiente», afferma il co-primo autore Georg M Arnold (3)
Le sfide dell'applicazione della fibra ottica all'hardware quantistico superconduttore
Mentre la fibra ottica ha rivoluzionato il settore delle telecomunicazioni con i suoi molteplici vantaggi rispetto alla trasmissione elettrica e ha consentito comunicazioni ad alta velocità, applicare l'ottica all'hardware quantistico non è un compito facile. I computer quantistici superconduttori, che utilizzano speciali proprietà fisiche dei materiali a temperature prossime allo zero assoluto, presentano una sfida a sé stante. Per realizzare qubit superconduttori, minuscoli circuiti elettrici vengono raffreddati a temperature estremamente basse, dove perdono tutta la resistenza elettrica e possono quindi mantenere una corrente fluente indefinitamente. «Quindi, i qubit superconduttori sono elettrici per definizione. Per realizzarli, dobbiamo raggiungere temperature di solo pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto. È persino più freddo dello spazio», afferma Georg M Arnold.
Tuttavia, i segnali elettrici hanno una larghezza di banda relativamente bassa, il che significa che trasmettono poche informazioni per unità di tempo. Facilmente sopraffatti dal rumore, sono anche inclini alla perdita di informazioni. Inoltre, il cablaggio richiesto dissipa molto calore. Quindi, la “lettura dei qubit”, ovvero la rilevazione e la misurazione dei qubit tramite l'invio di un segnale elettrico che riflettono, richiede un colossale raffreddamento criogenico nonché componenti elettrici elaborati e costosi per il filtraggio e l'amplificazione. D'altro canto, i segnali ottici ad alta energia, ad esempio a lunghezze d'onda delle telecomunicazioni, si propagano in sottili fibre ottiche con perdite minuscole. Inoltre, hanno una dissipazione del calore notevolmente inferiore e una larghezza di banda molto più elevata. Quindi, utilizzarli per spingere i limiti dell'hardware quantistico superconduttore sarebbe l'ideale, se solo i qubit capissero il loro linguaggio.
'Traduzione' del segnale ottico in qubit
Per ottenere una lettura completamente ottica nell'hardware quantistico superconduttore, il team aveva bisogno di trovare un modo per “tradurre” il segnale ottico nei qubit e viceversa. «Idealmente, si dovrebbe cercare di sbarazzarsi di tutti i segnali elettrici, poiché il cablaggio richiesto trasporta molto calore nelle camere di raffreddamento in cui si trovano i qubit. Ma questo non è possibile», afferma il co-primo autore Thomas Werner (4), uno studente di dottorato nel gruppo Fink presso l'ISTA. Quindi, i ricercatori hanno pensato di utilizzare un trasduttore elettro-ottico per convertire il segnale ottico in una frequenza a microonde, un segnale elettrico che i qubit possono comprendere. In risposta, i qubit riflettono un segnale a microonde che il trasduttore converte in ottica. Werner sottolinea la delicatezza del compito: «Abbiamo dimostrato che possiamo inviare luce infrarossa vicino ai qubit senza fargli perdere la loro superconduttività». L'utilizzo del trasduttore elettro-ottico come interruttore ha consentito al team di collegare i qubit direttamente al mondo esterno.
Superare la barriera dei qubit e altri vantaggi
Per fare calcoli “utili” con i computer quantistici, sono necessari migliaia o addirittura milioni di qubit. Tuttavia, l'infrastruttura ha difficoltà a tenere il passo perché i requisiti di raffreddamento criogenico per rilevarli e misurarli sono proibitivi. «La nostra tecnologia può ridurre notevolmente il carico termico della misurazione dei qubit superconduttivi. Ciò ci consentirà di rompere la barriera dei qubit e aumentare il numero di qubit che possono essere utilizzati nel calcolo quantistico», afferma Arnold.
Il raggiungimento di una lettura completamente ottica dei qubit superconduttori ha inoltre consentito ai ricercatori di liberare l'impostazione da molti dei suoi ingombranti componenti elettrici. Il segnale elettrico nei sistemi di lettura convenzionali è altamente soggetto a errori, richiedendo una correzione del segnale su larga scala utilizzando molti componenti elettrici tecnicamente limitanti e costosi che devono anche essere raffreddati a temperature criogeniche.
«Quindi, utilizzando il trasduttore elettro-ottico per scollegare i qubit dall'infrastruttura elettrica, siamo stati in grado di sostituire tutte le parti rimanenti dell'impostazione con l'ottica», afferma Thomas Werner. Ciò rende il sistema non solo più robusto ed efficiente, ma ne riduce anche i costi.
Interfacciamento di computer quantistici superconduttori tramite collegamenti a temperatura ambiente
Questa tecnologia potrebbe contribuire ad aumentare ulteriormente il numero di qubit superconduttori utilizzabili, consentendo agli scienziati di interfacciare più computer quantistici tramite luce. Attualmente, i computer quantistici necessitano dei cosiddetti “frigoriferi a diluizione” per fornire raffreddamento all'intera configurazione di misurazione, comprese le connessioni richieste tra i moduli del processore.
«Ma questi frigoriferi a diluizione hanno anche delle limitazioni pratiche e non possono essere resi infinitamente grandi», sostiene Arnold. A loro volta, le restrizioni di spazio e raffreddamento limitano il numero di qubit utilizzabili. Ma ora, collegare due qubit in due frigoriferi a diluizione separati tramite fibra ottica potrebbe essere alla portata di tutti, secondo i ricercatori. «L'infrastruttura è disponibile e ora abbiamo la tecnologia che ci consente di costruire le prime semplici reti di calcolo quantistico», afferma Arnold.
I fisici dell'Institute of Science and Technology Austria (ISTA) hanno raggiunto un traguardo significativo nello sviluppo di hardware quantistico superconduttore, ma c'è ancora molto da fare.
«Le prestazioni del nostro prototipo sono ancora piuttosto limitate, in particolare per quanto riguarda la quantità di potenza ottica necessaria e dissipata. Tuttavia, serve come prova di principio che una lettura completamente ottica di qubit superconduttori è persino possibile. Sarà compito dell'industria spingere ulteriormente la tecnica».
Questo lavoro è stato supportato da finanziamenti dall'European Research Council sotto sovvenzioni. 758053 (ERC STG Qunnect) e 101089099 (ERC COG CGEO) e il programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell'Unione Europea con la sovvenzione n. 899354 (Fetopen Superqulan). Questa ricerca è stata finanziata dall'Austrian Science Fund (FWF) DOI 10.55776/F71. Inoltre, questo lavoro è stato supportato da finanziamenti dal programma Istfellow e da una borsa di studio DOC dell'Austrian Academy of Sciences presso l'ISTA.
Riferimenti:
(1) All-optical superconducting qubit readout
(3) Georg M Arnold
(4) Thomas Werner
Descrizione foto: Co-primo autore Thomas Werner. - Credit: Institute of Science and Technology Austria (ISTA).
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: When Qubits Learn the Language of Fiberoptics