Cinquantamila.it La storia raccontata da Giorgio Dell'Arti

Il computer quantistico più potente al mondo è in fase di progettazione tra gli Stati Uniti e l’Italia. L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare è infatti l’unico partner non statunitense tra i venti del nuovo Superconducting Quantum Materials and System Center (Sqms), centro di ricerca con sede al Fermi National Accelerator Laboratory di Chicago. Finanziato a fine agosto con 115 milioni di dollari dal Dipartimento per l’Energia, nell’ambito della National Quantum Initiative statunitense, il centro ha come obiettivi lo sviluppo in cinque anni di una nuova generazione di sensori quantistici e di un computer dalle prestazioni mai raggiunte.
«Integreremo le cavità 3D ultraefficienti, usate per la rilevazione delle particelle, con l’implementazione dei transmon qubit 2D prodotti da Rigetti Computing, partner industriale del progetto – spiega Anna Grassellino, direttrice dell’Sqms, già ricercatrice dell’Infn -. Una cavità 3D a nove celle con un transmon dentro può agire come 128 qubit. Ma con un solo filo d’ingresso e uno di uscita». Oggi, Rigetti produce un processore quantistico a 32 qubit, Google a 53, ma si tratta sempre di architetture 2D, che legano i transmon in modo “orizzontale”, ognuno con il proprio filo d’ingresso e d’uscita. Un’architettura di progettazione tridimensionale, come quella proposta dall’Università di Yale alcuni anni fa, non è mai stata ancora davvero realizzata. «Mancavano gli oggetti 3D», sorride Grassellino, che con il suo team ha scoperto come migliorare la superconduttività delle superfici di queste cavità, nonché la loro capacità di immagazzinare energia e quindi di conservare l’informazione.
Un computer quantistico infatti si basa sul qubit, l’unità di informazione che, a differenza del bit, può assumere contemporaneamente valore zero, uno e tutte le somme pesate tra loro: valori che vengono elaborati simultaneamente (nel caso di più qubit, in parallelo) con un aumento esponenziale della potenza computazionale. Ma la computazione è possibile solo finché il qubit mantiene inalterata la quantità di informazione che deriva dalla sovrapposizione di stati: se la particella che trasporta l’informazione, ad esempio un fotone, “collassa” in uno stato, il sistema quantistico e il relativo qubit si “perdono”. E basta una qualsiasi interazione con l’ambiente per far collassare la particella. Il tempo in cui l’informazione quantistica rimane inalterata viene detto tempo di coerenza. «Nelle cavità 3D, la particella è isolata – spiega Grassellino -. In più, se in un transmon il tempo di vita medio di un fotone è circa 20 microsecondi, in una cavità 3D vuota arriva fino a due secondi». Un record che all’Sqms vogliono portare a decine di secondi.
Ma la “memoria” dell’informazione non basta. «Gli stati della cavità sono lineari, a noi serve creare livelli di energia non lineari per riuscire a manipolare lo stato del fotone tra zero e uno – sottolinea Grassellino -. Ecco perché integreremo il transmon, perché sfrutti tutti i livelli energetici nella cavità». E diventi il gate, la porta logica del processore che consenta di fare i calcoli. L’integrazione cavità-transmon sarà il primo, non facile, obiettivo. Il secondo, ancora più ambizioso, sarà collegare insieme più moduli. Entrambi i dispositivi superconduttori funzionano solo a temperature prossime allo zero assoluto. E il refrigeratore a diluzione più grande al mondo si trova proprio ai Laboratori sotterranei Infn del Gran Sasso: l’esperienza pluridecennale in criogenia e schermatura da radioattività naturale è uno dei punti di forza della partecipazione italiana al progetto, che si estrinseca in tutti i filoni di ricerca.
«La collaborazione con il FermiLab risale agli anni ’70 – ricorda Raffaele Tripiccione, executive committee dell’Sqms -. Quanto ai Laboratori del Gran Sasso, hanno una capacità unica per caratteristiche naturali e competenze, sviluppate nel campo delle particelle elementari. Potrebbero diventare un’ambiente attrezzato stabilmente per la caratterizzazione, la misura e l’analisi di dispositivi quantistici». Se l’integrazione avrà successo, i moduli verranno collegati tra loro e inseriti nel criostato alto dieci metri che verrà costruito al FermiLab: il primo prototipo del processore è previsto per il 2023. «Avvieremo quindi un processo di co-design hardware e software», spiega Grassellino. Lato software, «tutti gli algoritmi più interessanti sfruttano l’entanglement, la correlazione a distanza tra particelle» ricorda Lorenzo Maccone, associato a Infn Pavia.
Tra i più famosi algoritmi quantistici, quello di Shore, alla base della crittografia, «si basa sulla difficoltà di trovare in tempi brevi i fattori primi di numeri molto lunghi. Ma un computer quantistico può farlo: tutti i protocolli crittografici in uso non sono al sicuro con un processore che gestisca numeri di 300-1000 cifre». Non è un caso che tra i partner di Sqms ci sia anche Lockheed Martin. Altro partner Goldman Sachs, per il potenziale utilizzo nella simulazione di mercati finanziari. La consegna del prototipo definitivo è prevista nel 2025.

JOSEPHINE CONDEMI