Un nuovo studio mostra che la radiazione, anche a livelli di fondo, è sufficiente per compromettere in modo significativo la stabilità dei processi di calcolo quantistico.
di Neel V. Patel
Il quantum computing ha il potenziale per gestire problemi complessi a velocità estremamente elevate. Ciò che lo rende possibile è il modo in cui sfrutta i qubit, vale a dire particelle subatomiche come gli elettroni, che utilizzano proprietà quantistiche per rappresentare numerose combinazioni oltre lo 0 o l’ 1 dei bit convenzionali. Quando le coppie di qubit sono “entangled”, possono cambiare lo stato dell’altro in modi prevedibili, anche a distanze molto lunghe, migliorando ulteriormente la potenza di elaborazione.
Tutto questo ha un costo. I qubit sono molto sensibili anche ai minimi disturbi, decadono e scompaiono rapidamente in un processo chiamato decoerenza. Secondo le nuove scoperte pubblicate su “Nature”, la radiazione cosmica è una delle cause di decoerenza che potrebbe rivelarsi particolarmente insidiosa.
Il nuovo studio si basa su un tipo di calcolo quantistico che utilizza materiali superconduttori per produrre qubit tramite coppie di elettroni cariche. I risultati indicano che la radiazione naturale prodotta da materiali normali intorno a noi, come le strutture in calcestruzzo, è sufficiente per limitare la durata utile di questo tipo di stato di qubit a pochi millisecondi, danneggiando l’applicazione pratica di un computer quantistico. La radiazione prodotta dai raggi cosmici avrebbe un effetto ancora maggiore.
La questione è seria perché colpisce praticamente qualsiasi sistema del genere che non sia circondato da piombo o immagazzinato sottoterra. Ogni luogo esposto ai raggi cosmici sarà indifeso per provare a eseguire questo tipo di processi.”I computer quantistici basati sulla tecnologia dei qubit superconduttori dovranno affrontare in modo molto esplicito gli effetti delle radiazioni”, afferma il coautore dello studio Brent VanDevender del Pacific Northwest National , a Richland, nello stato di Washington.
Le radiazioni danneggiano i qubit depositando energia in essi. Ce ne vuole pochissima per rompere le coppie di elettroni in un superconduttore e queste coppie si scompongono in elettroni liberi, portando potenzialmente a scambi di energia che possono distruggere lo stato delicato del superconduttore. Questo fa sì che i qubit perdano il loro stato quantistico e si decompongano, ponendo fine a qualsiasi calcolo quantistico effettivo.
Il team – guidato da Antti Vepsäläinen, un ricercatore di informatica quantistica del MIT – ha esposto qubit superconduttori al rame irradiato e ha scoperto che quelli esposti solo a livelli naturali di radiazione erano stabili per circa quattro millisecondi. Si tratta in realtà di un tempo più lungo di quello che vediamo ora in media negli esperimenti di calcolo quantistico (circa 0,1 millisecondi di stabilità), ma anche pochi millisecondi sono ancora troppo brevi per applicazioni pratiche di calcolo quantistico. Lo studio sottolinea che, anche se possiamo eliminare altre cause di decoerenza come vibrazioni fisiche o cambiamenti di temperatura, la radiazione renderà comunque difficile il calcolo quantistico.
I risultati “non sono troppo sorprendenti”, afferma Shyam Shankar, un ricercatore di informatica quantistica presso l’Università del Texas, ad Austin, che non ha partecipato direttamente a questo studio. “Molti studiosi si aspettavano che ciò accadesse, ma non era chiaro a quale livello questa radiazione avrebbe influenzato i qubit”. Questa incertezza è dovuta in parte alla difficoltà di eseguire effettivamente questi esperimenti.
“Ora è il momento di iniziare a capire e affrontare questo problema”, afferma VanDevender. Gli ingegneri informatici quantistici sono in grado di implementare meccanismi di correzione degli errori che possono aiutare a mitigare questi effetti, ma attualmente non sono sufficienti per recuperare il ritardo con la decoerenza dei qubit indotta dalle radiazioni.
Con bassi livelli di radiazioni dai raggi cosmici che permeano la maggior parte della superficie del pianeta, i modi migliori per mitigare le interferenze delle radiazioni potrebbero essere i più semplici: schermare i dispositivi qubit dalle radiazioni (utilizzando materiali come il piombo) o costruirli sottoterra. VanDevender pensa che probabilmente ci sia una via di mezzo ideale che richiederà schermature modeste e posizioni sotterranee poco profonde.
Anche se non è una grande notizia per l’informatica quantistica, potrebbe esserci un lato positivo in questa ricerca. “Si è scoperto che i qubit sono fantastici rivelatori di radiazioni”, afferma VanDevender. “Ciò apre prospettive per migliorare il livello di sensibilità nelle ricerche di materia oscura o per esperimenti che potrebbero rivelare alcuni difetti a lungo ricercati nel nostro modello standard di fisica delle particelle”.
Immagine di: Timothy Holland, PNNL
(rp)
