Una nuova serie di array basati su atomi neutri intrappolati tramite luce laser segna una tappa importante nello sviluppo del computer quantistico.
La start-up Atom Computing, con sede a Berkeley in California, ha annunciato di aver creato un array attualmente popolato con 1.180 qubit nella sua piattaforma di prossima generazione. E’ la prima volta che un’azienda supera la soglia dei 1.000 qubit per un sistema la cui uscita è prevista nel 2024.
Il CEO, Rob Hays, ha affermato come la rapida scalabilità sia un vantaggio chiave dell’esclusiva tecnologia di Atom Computing che sta guadagnando terreno su altri metodi per conseguire i qubit.
La società è riuscita ad ottenere un risultato così strabiliante utilizzando strumenti e tecniche ideati negli ultimi 40 anni, fra cui lo studio Laser Deceleration of an Atomic Beam di William D. Phillips e Harold Metcalf pubblicato su Physical Review Letters nel marzo del 1982. Il procedimento della manipolazione degli atomi neutri è stato però migliorato per aumentare la resistenza e renderlo commercialmente valido.
Il processo inizia con la preparazione degli atomi per formare i qubit. Un materiale di base di metalli alcalino terrosi, come lo stronzio (simbolo Sr, numero atomico 38, peso atomico 87,62), viene prima riscaldato, rilasciando un veloce flusso di atomi in una camera sottovuoto.
Impiegando forti campi magnetici e laser, invece del raffreddamento ambientale criogenico, gli atomi sono progressivamente rallentati fino quasi all’arresto completo. Stoppare la vibrazione ed il movimento di un atomo può essere descritto come la creazione di atomi “freddi”.
Il vuoto isola dall’ambiente esterno rimanendo a temperature di circa 4 µK. Si forma una nuvola i cui atomi vengono spostati per essere caricati in pinzette ottiche disposte in una matrice bidimensionale uniformemente distanziata.
Le pinzette ottiche, in inglese optical tweezers, sono una tecnologia che permette la manipolazione di oggetti di dimensioni dal decimo al decimillesimo di millimetro utilizzando un fascio laser focalizzato.
Lo strumento fu inventato da Arthur Ashkin (2 Settembre 1922 – 21 September 2020) che venne premiato per quest’innovazione con il Nobel per la Fisica nel 2018 insieme a Gérard Mourou ed a Donna Strickland, questi ultimi per il metodo di generare impulsi ottici ultra brevi ed altamente intensi.
Atom Computing usa pinzette ottiche per contenere e manipolare qubit di atomi neutri inducendo una forza dipendente dalla luce capace d’intrappolare l’atomo nel punto centrale del raggio laser. Questa tecnologia è utilizzata da decenni nel campo della medicina, della genetica e della chimica.
Dopo che la matrice è stata riempita in una griglia organizzata, possono cominciare i calcoli quantistici.
Gli atomi vengono trasformati in qubit con impulsi laser che ne regolano la rotazione. I gate a uno e due qubit possono essere eseguiti sui qubit in varie sequenze e combinazioni. Il sistema di Atom Computing incrementa l’efficienza consentendo che i gate a qubit singolo siano eseguibili in parallelo attraverso l’array.
Gli impulsi laser eccitano gli atomi portandoli ad uno stato altamente energizzato chiamato “stato di Rydberg” in cui i loro elettroni orbitano attorno al nucleo ad una distanza maggiore del normale per interagire con gli atomi vicini.
Gli impulsi successivi intrecciano coppie di qubit, realizzando uno degli elementi fondamentali dell’informatica quantistica che permette miglioramenti rispetto agli algoritmi classici. È possibile eseguire più gate a due qubit in parallelo su diverse parti dell’array.
Dopo che un circuito quantistico è stato completamente eseguito, i risultati vengono visualizzati otticamente rilevando la fluorescenza dei qubit in uno schema di 1s e 0s. Una volta letti, i qubit possono essere reinizializzati per ulteriori calcoli, evitando la necessità di ricaricare l’array di atomi.
Paul Smith-Goodson, vicepresidente e principale analista di Moor Insights & Strategy, si è detto impressionato da quanto ottenuto da un’azienda fondata appena cinque anni fa con le competenze per sfidare giganti come IBM.
Il traguardo di oltre 1.000 qubit rende Atom Computing un serio contendente nella corsa per costruire un computer quantistico tollerante ai guasti in grado di superare gli errori durante i calcoli e fornire risultati accurati. Per far questo occorrono centinaia di migliaia, se non milioni, di qubit fisici insieme ad altre funzionalità chiave, tra cui:
- Tempi di coerenza lunghi: i qubit di Atom Computing possono memorizzare informazioni quantistiche per il tempo record di 40 secondi.
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Misurazioni allo stadio intermedio di un circuito (Mid-Circuit ): Atom ha dimostrato la capacità di misurare lo stato quantistico di specifici qubit durante il calcolo e rilevare determinati tipi di errori senza disturbare altri qubit.
- Precisione: controllare i qubit in modo coerente ed accurato per ridurre gli errori che si verificano durante un calcolo.
- Correzione dell’errore in tempo reale.
- Qubit logici: implementazione di algoritmi e controlli per combinare un gran numero di qubit fisici in un “qubit logico” progettato per fornire risultati corretti anche quando si verificano errori.
Con capacità computazionali ampliate, si potranno approfondire gli schemi di correzione degli errori, progettando e implementando strategie che aprono la strada a sistemi di calcolo quantistico più affidabili e scalabili, come ha detto Tommaso Demarie, CEO di Entropica Labs, partner strategico di Atom Computing.
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Immagini: Atom Computing
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