Ridurre la complessità

0 o 1, questo è il semplice principio su cui si basa - per dirla in parole povere - la nostra società dell'informazione digitale. Ma se, oltre a questi due poli, esistessero contemporaneamente altre possibilità? E se da questo si sviluppasse una vera e propria ondata di stati diversi, in modo che le informazioni complesse possano essere elaborate molto più velocemente?

? proprio questa prospettiva di superare i precedenti modelli di elaborazione delle informazioni che rende la fisica quantistica un campo di ricerca in cui gli amministratori delegati delle grandi aziende e i ricercatori teorici fondamentali nutrono grandi speranze. Se la visione di computer che obbediscono alle leggi della meccanica quantistica dovesse diventare realtà, aprirebbe le porte ad applicazioni completamente nuove. Ad esempio, questa macchina miracolosa potrebbe essere utilizzata per calcolare le modalità d'azione delle proteine in un tempo molto più breve di quello che sarà mai possibile con un computer convenzionale. E questo, a sua volta, darebbe un impulso inimmaginabile allo sviluppo di nuovi farmaci.

Una strada accidentata

Si tratta di prospettive promettenti ed è comprensibile che la fisica quantistica oggi sia affascinante ben oltre il campo attuale. Tuttavia, la strada per arrivare a un computer quantistico in grado di rispondere alle domande di tutti i giorni è irta di ostacoli e più lunga di quanto molti vorrebbero ammettere. "Probabilmente ci vorranno decenni e non anni prima di arrivarci", afferma Jonathan Home, professore di Ottica quantistica sperimentale e fotonica all'ETH di Zurigo.

? uno di quelli che lavorano in un'area in cui la ricerca quantistica è relativamente avanzata. Home utilizza singoli atomi come cosiddetti qubit, portatori di informazioni fondamentali con cui i computer quantistici calcolano. Tiene atomi di berillio e calcio in speciali trappole elettriche e poi li manipola con la luce laser secondo le leggi della meccanica quantistica. "Gli atomi sono sistemi meravigliosi per l'elaborazione delle informazioni, perché possiamo isolarli molto bene e perché, se rimangono isolati, possono immagazzinare informazioni quantistiche per alcuni secondi o addirittura minuti".

Il nocciolo della questione è che per poter elaborare ulteriormente le informazioni, a un certo punto i fragili oggetti quantistici devono essere ricollegati al mondo classico di tutti i giorni. E in questo passaggio, anche le più piccole irregolarità possono corrompere l'intero sistema. Come si può ridurre al minimo questa suscettibilità agli errori, aumentando al contempo il numero di qubit utilizzati per i calcoli?

Più robusto e più semplice

Un approccio ovvio è quello di costruire i sistemi in modo ridondante, cioè di collegare diversi cosiddetti qubit fisici per formare un qubit logico. Tuttavia, questa è una soluzione a doppio taglio: in linea di principio, la ridondanza rende il sistema più stabile. Allo stesso tempo, però, la complessità del sistema aumenta rapidamente e con essa la suscettibilità agli errori.

Ciò richiede non solo una grande quantità di tecnologia di alto livello per il controllo e una grande competenza ingegneristica, ma anche una migliore comprensione delle relazioni fisiche. Home è convinto che lo sviluppo dei computer quantistici abbia già dei vantaggi concreti, anche se è ancora lontano dal poter analizzare le strutture proteiche con le apparecchiature attuali. "I nostri esperimenti sono in definitiva un test di resistenza per le teorie fisiche. E grazie ad essi, stiamo acquisendo nuove conoscenze sul funzionamento del mondo quantistico".

Uno dei punti di forza dell'ETH di Zurigo è che i ricercatori lavorano all'ETH con approcci molto diversi. Le cosiddette trappole ioniche con cui collabora Home sono solo uno dei possibili approcci che potrebbero portare a una svolta. Anche i circuiti superconduttori, ad esempio, sono considerati dei candidati interessanti. "? davvero unico che nella nostra scuola universitaria si possano seguire così tanti approcci diversi in parallelo", afferma Home.

Infrastruttura altamente specializzata

Come i suoi colleghi, Home nutre grandi speranze per l'edificio di fisica previsto nel sito di H?nggerberg, reso possibile da una donazione di Martin Haefner. In laboratori altamente specializzati e particolarmente protetti dalle interferenze esterne, gli scienziati quantistici vogliono spingere ancora più in là i confini della ricerca. Porteranno avanti anche idee che oggi sono ancora agli albori.

Un possibile nuovo approccio, ad esempio, è rappresentato dai materiali semiconduttori in cui gli elettroni possono muoversi senza l'influenza della struttura reticolare. Le proprietà meccaniche quantistiche di questi elettroni liberi devono essere utilizzate specificamente per l'elaborazione delle informazioni. "Tuttavia, i semiconduttori devono essere estremamente puri", spiega Werner Wegscheider, professore di fisica dello stato solido, che produce questi materiali speciali. Nelle sue camere a vuoto, Umwelt und Geomatik costruisce i semiconduttori su misura, atomo per atomo. "Produciamo i semiconduttori più puri al mondo", spiega con orgoglio.

A volte i ricercatori si imbattono in effetti completamente nuovi: Se questi semiconduttori vengono raffreddati a temperature molto basse ed esposti a un forte campo magnetico, gli elettroni liberi si condensano in una quasi-particella. Si comportano quindi collettivamente come una singola particella e possono essere descritti matematicamente come tali. ? ragionevole supporre che questi sistemi quantistici topologici siano più resistenti all'interferenza rispetto ad altri oggetti quantistici. ? proprio questo che li rende candidati interessanti per ridurre la suscettibilità agli errori.

Lo sforzo è giustificato

I sistemi quantistici topologici, in particolare, sono un buon esempio di come la teoria e l'esperimento in fisica siano reciprocamente vantaggiosi. Il fondamentale effetto Hall quantistico su cui si basano questi sistemi è stato scoperto sperimentalmente. In un secondo momento, è stato possibile descrivere questo effetto a livello teorico. Dalla teoria è stato poi possibile prevedere gli stati topologici nei quali i ricercatori ripongono ora grandi speranze. Tuttavia, non è ancora stato verificato sperimentalmente se questi stati esistano effettivamente nella pratica come previsto dalla teoria. ? possibile che presto i fisici sperimentali riprendano in mano la palla.

Wegscheider è anche convinto che ci vorrà ancora del tempo prima che un computer quantistico possa risolvere problemi utili al di fuori della fisica quantistica. "Tre anni fa ero ancora scettico, ma ora sono abbastanza sicuro che funzionerà", afferma.

Resta da vedere quale approccio prevarrà alla fine. Forse la soluzione sta nel combinare approcci diversi, ad esempio combinando semiconduttori e circuiti superconduttori. "Se si combinano queste due tecnologie, si creano improvvisamente quasi-particelle, i cosiddetti fermioni di Majorana, che presumibilmente sono anche meno inclini agli errori", afferma Wegscheider.

Anche Yiwen Chu, professoressa assistente di Sistemi quantistici ibridi, sta lavorando per collegare diversi sistemi quantistici. "Esiste un'intera gamma di oggetti quantistici come fotoni, ioni o circuiti superconduttori. Tutti hanno i loro punti di forza specifici, ma anche i loro svantaggi", spiega l'autrice. "La domanda ora è: come possiamo collegare questi elementi in modo da combinare i loro punti di forza?".

Colmare il divario

La loro formazione è preliminare a quella dei computer classici. Lì, ad esempio, le informazioni vengono elaborate da processori di silicio e trasportate da fibre di vetro. Nei sistemi quantistici, i circuiti superconduttori potrebbero elaborare le informazioni e i fotoni potrebbero trasmetterle. "Purtroppo, però, si scopre che i due oggetti quantistici non si capiscono molto bene", spiega Chu. ? necessario un mediatore per colmare il divario. Un possibile candidato, che Chu e il suo gruppo stanno studiando più da vicino, è costituito da piccoli cristalli che comunicano con entrambe le parti come oggetti meccanici, tramite vibrazioni acustiche.

Allo stesso tempo, ci si chiede se questi cristalli possano anche immagazzinare ed elaborare informazioni quantistiche. "Poiché i cristalli funzionano con oscillazioni acustiche, che sono molto più lente delle onde luminose, possiamo usarli per costruire qubit più piccoli", spiega la fisica. Il suo obiettivo principale non è quello di inserire il maggior numero possibile di qubit in una determinata superficie. Il vantaggio è piuttosto che i cristalli sono più facili da isolare l'uno dall'altro rispetto ai circuiti superconduttori, per esempio, il che impedisce una perdita indesiderata di informazioni. E questo a sua volta contribuirebbe a ridurre la suscettibilità agli errori. La sfida più grande è che più qubit si collegano tra loro, più i sistemi diventano tecnicamente complessi.

Tuttavia, lo sviluppo di computer quantistici non è un compito puramente ingegneristico. "Ci sono anche molte domande fisiche senza risposta". Una di queste è, ad esempio, se ci sia una transizione continua o brusca tra il mondo classico e quello quantistico. "Non conosciamo ancora la risposta definitiva", afferma Chu. "Ma qualunque sia la risposta, la questione rimane molto eccitante per noi fisici in entrambi i casi".