Oltre la supremazia quantistica

I computer quantistici sono calcolatori che sfruttano le leggi della meccanica quantistica per l’elaborazione dei dati. Mentre nel mondo della computazione classica ogni bit può assumere solo due stati: zero o uno (sistema binario), nell’ambito della computazione quantistica il qubit può essere zero e uno contemporaneamente. Questo è possibile grazie alla sovrapposizione degli stati quantistici, proprietà che abilita la possibilità di effettuare i calcoli in parallelo, moltiplicando esponenzialmente potenza e velocità anche in caso di problemi estremamente complessi, riducendo quindi i tempi di elaborazione da anni a minuti. Le applicazioni del quantum computing sono molteplici: dalle analisi di dati provenienti da esperimenti di fisica, alle applicazioni con un maggior impatto sulla società, tra cui lo sviluppo di nuovi farmaci, le analisi diagnostiche, la trasmissione dei dati, la crittografia e lo studio dei mercati economici. Nonostante Google nel dicembre 2019 abbia annunciato la supremazia quantistica (quantum supremacy), con i sui 53 qubit, questo non significa però che i computer quantistici siano pronti per sostituire quelli classici. Questo potrà accadere solo quando si otterrà il vantaggio quantistico (quantum advantage), ovvero quando i calcoli eseguiti da un processore quantistico saranno in grado di realizzare applicazioni utili e concrete. Perché questo accada occorre un aumento del numero di qubit di almeno uno o due ordini di grandezza. 

I qubit sono attualmente letti attraverso linee a microonde dove i segnali che ne codificano lo stato sono amplificati da particolari dispositivi detti amplificatori parametrici basati su giunzioni Josephson (Josephson Parametric Amplifiers, JPA). Questi sono dispositivi superconduttivi in grado di mantenere un alto guadagno con un rumore intrinseco bassissimo, ovvero il minimo rumore che si possa raggiungere, il cosiddetto rumore quantistico. Tali amplificatori sono, però, caratterizzati da una banda di lavoro in frequenza molto stretta e questo implica che ognuno di questi possa amplificare il segnale proveniente da uno e un solo qubit. Questa configurazione è sicuramente soddisfacente per leggere 50 qubit ma rappresenta un problema tecnologico quando si vuole passare a 500 o 1000 qubit. Il progetto “Dart Wars” (“Detector Array Readout with Traveling Wave AmplifieRS”), finanziato presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Milano-Bicocca, attraverso un progetto Marie Skłodowska-Curie Actions (MSCA) Global Fellow (GF)  che verrà svolto in collaborazione con la University of Colorado Boulder e il National Institute of Standards and Technology (Colorado), ha come obiettivo lo sviluppo di amplificatori superconduttivi parametrici innovativi detti a “onda viaggiante” (Travelling Wave Parametric Amplifiers, TWPA), ossia dispositivi che, sfruttando le proprietà squisitamente quantistiche della superconduzione, possano amplificare debolissimi segnali nelle microonde in un ampio range di frequenze. Grazie a queste caratteristiche sarà possibile leggere lo stato di matrici di qubit sfruttando un’unica linea di lettura, semplificando notevolmente l’apparato criogenico che gestisce il calcolatore quantistico. Le applicazioni dei TWPA non si limitano ai calcolatori quantistici, ma includono l’amplificazione di segnali prodotti da sensori quantistici ultrasensibili o da rivelatori di particelle a bassa temperatura per esperimenti di fisica fondamentale (assioni, materia oscura, fisica del neutrino). 

This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement N°101027746