il computer quantistico e la radioattività naturale.

Autore: Roberto Campagnola
Data Pubblicazione: 21/05/2021

Nell’ambito della computazione quantistica, i qubit a superconduttori rimangono una delle architetture circuitali preferite e in maggiore sviluppo all’interno del computer quantistico, grazie alle prestazioni che sono in grado di garantire.

Nei circuiti a superconduttori, infatti, i tempi di coerenza quantistica sono aumentate di vari ordini di grandezza, dai pochi nanosecondi alle centinaia di microsecondi. La coerenza quantistica dipende dal fenomeno della sovrapposizione degli stati, che è alla base della computazione quantistica, e deve essere mantenuta il più a lungo possibile per garantire il funzionamento del regime quantistico di computazione e il compimento delle operazioni.

Tuttavia i qubit dei circuiti a superconduttori sono anche la parte più delicata e più soggetta ad errori.

Le interazioni non volute con l’ambiente circostante causano la perdita della coerenza e quindi il ritorno al regime di computazione classica. Per esempio un debole campo magnetico o un casuale impulso di microonde possono indurre l’inversione dei bit (bit-flip) invertendo le loro possibilità di essere |0⟩ e |1⟩ rispetto agli altri qubit, o l’inversione di fase (phase-flip), la trasformazione della relazione matematica tra i loro due stati.

Una ulteriore sorgente di errore può essere l’interazione con la radioattività naturale presente in tutta la materia intorno a noi o con i raggi cosmici.

Gli effetti della radiazione possono interessare tutti i circuiti integrati nello stesso chip, causando, da un lato errori, e dall’altro il fallimento degli algoritmi di correzione i quali si basano sul principio che in caso di errore su un qubit, l’informazione sia comunque conservata negli altri.

Un gruppo di ricercatori dell’INFN in collaborazione con il Karlsruhe Institute of Technology ha studiato il comportamento di circuiti a superconduttori in ambiente a bassa radioattività naturale.

Lo studio è stato condotto presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, sfruttando la schermatura dei 1400 metri di roccia della montagne abruzzese per attenuare il flusso di raggi cosmici.

I risultati dello studio sono stati pubblicati su Nature Communications e hanno evidenziato effetti significativi dovuti alla schermatura sulle prestazioni dei qubit superconduttori.

Lo studio degli effetti della radioattività naturale e dei raggi cosmici sui qubit costituiscono un ulteriore passo verso lo sviluppo delle tecnologie di computazione quantistica, un settore ancora agli albori ma in enorme espansione e dalle importanti ricadute scientifiche ed industriali.

Anche in questo ambito il contributo italiano è di prima grandezza: l’INFN è l’unico partner non statunitense che partecipa presso il FermiLAB di Chicago alla collaborazione del Superconducting Quantum Material and System Center, il centro nazionale americano per le tecnologie quantistiche, la cui direzione è affidata alla nostra connazionale Anna Grassellino.

Fonti:

https://www.nature.com/articles/s41467-021-23032-z

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Roberto Campagnola

Laureato in fisica delle particelle, attualmente assegnista di ricerca presso i Laboratori Nazionali di Frascati-INFN e il CERN, si occupa dell’upgrade dell’esperimento CMS – Compact Muon Solenoid per il Large Hadron Collider.