I raggi cosmici potrebbero rappresentare un problema per i futuri computer quantistici

Timothy Holland, PNNL

Informatica quantistica ha il potenziale per gestire problemi complessi a velocità iperveloci. Ciò che lo rende possibile è il modo in cui sfrutta i qubit, tipicamente particelle subatomiche come gli elettroni, che utilizzano proprietà quantistiche per rappresentare numerose combinazioni oltre il 0 o uno di bit convenzionali. Quando le coppie di qubit sono intrecciate, possono cambiare lo stato dell'altro in modi prevedibili, anche a distanze molto lunghe, aumentando ulteriormente la potenza di elaborazione.

Tutto questo ha un costo. I qubit sono molto sensibili anche ai minimi disturbi, decadono rapidamente e scompaiono in un processo chiamato decoerenza. E secondo nuove scoperte pubblicate su Nature mercoledì, la radiazione cosmica è una delle cause di decoerenza che potrebbe rivelarsi particolarmente fastidiosa.

Il nuovo studio si basa su un tipo di calcolo quantistico che utilizza materiali superconduttori per produrre qubit tramite coppie cariche di elettroni. I risultati indicano che la radiazione naturale prodotta da materiali normali intorno a noi, come le strutture in cemento armato, è sufficiente per limitare la vita utile di questo tipo di stato qubit a pochi millisecondi, smussando l'applicazione pratica di un computer quantistico. Le radiazioni prodotte dai raggi cosmici avrebbero un effetto ancora maggiore.

Questo è un problema perché colpisce praticamente qualsiasi sistema di questo tipo che non è circondato da piombo o immagazzinato nel sottosuolo. Qualsiasi luogo esposto ai raggi cosmici sarà un luogo povero per provare a eseguire questo tipo di processi.

Qualsiasi computer quantistico basato sulla tecnologia dei qubit superconduttori dovrà affrontare in modo molto esplicito gli effetti delle radiazioni, afferma il coautore dello studio Brent VanDevender del Pacific Northwest National Laboratory di Richland, Washington.

Le radiazioni danneggiano i qubit depositando energia in essi. Ci vuole pochissima energia per rompere le coppie di elettroni in un superconduttore e queste coppie si rompono in elettroni liberi, portando potenzialmente a scambi di energia che possono distruggere lo stato delicato del superconduttore. Ciò fa sì che i qubit perdano il loro stato quantistico e si decoherino, ponendo fine a qualsiasi effettivo calcolo quantistico.

Il team, guidato da Antti Vepsäläinen, un ricercatore di informatica quantistica al MIT, ha esposto i qubit superconduttori al rame irradiato e ha scoperto che i qubit esposti solo a livelli naturali di radiazione erano stabili per circa quattro millisecondi. Questo è in realtà più lungo di quello che vediamo in media negli esperimenti di calcolo quantistico (circa 0,1 millisecondi di stabilità), ma anche pochi millisecondi sono ancora troppo brevi per applicazioni pratiche di calcolo quantistico. Lo studio sottolinea che anche se possiamo eliminare altre cause di decoerenza, come vibrazioni fisiche o variazioni di temperatura, le radiazioni renderanno comunque difficile il calcolo quantistico.

I risultati non sono troppo sorprendenti, afferma Shyam Shankar, ricercatore di informatica quantistica presso l'Università del Texas ad Austin, che non è stato coinvolto in questo studio. Direi che molte persone si aspetterebbero che ciò accada. Ma non sapevamo esattamente a quale livello questa radiazione avrebbe influenzato i qubit. Ciò è dovuto in parte a quanto sia difficile eseguire effettivamente questi esperimenti. È bello vedere gli altri portare a termine l'esperimento e ottenere valori reali per questo fenomeno, dice.

Ora è il momento di iniziare a capirlo e affrontarlo, afferma VanDevender. Gli ingegneri dell'informatica quantistica possono implementare meccanismi di correzione degli errori che possono aiutare a mitigare questi effetti, ma attualmente sono troppo lenti per recuperare il ritardo con la decoerenza dei qubit indotta dalle radiazioni.

Con bassi livelli di radiazione dai raggi cosmici che permeano la maggior parte dei luoghi sulla superficie del pianeta, il modo migliore per mitigare l'interferenza delle radiazioni potrebbe essere il più semplice: schermare i dispositivi qubit dalle radiazioni (usando materiali come il piombo) o costruirli sottoterra. VanDevender pensa che probabilmente ci sia una via di mezzo ideale che richiederà schermature modeste e posizioni sotterranee poco profonde. In altre parole, se stai costruendo un computer quantistico, mettilo in uno scantinato. I futuri ingegneri potrebbero anche esaminare lo sviluppo di qubit che sono in qualche modo meno sensibili alle radiazioni.

Anche se non è una buona notizia per l'informatica quantistica, potrebbe esserci un lato positivo in questa ricerca. Si scopre che i qubit o qualcosa del genere sono fantastici rilevatori di radiazioni, afferma VanDevender. C'è la speranza di una migliore sensibilità nelle ricerche di materia oscura o in esperimenti che potrebbero rivelare alcuni difetti a lungo ricercati nel nostro modello standard di fisica delle particelle.

Correzione 23/08/20: Questa storia inizialmente faceva riferimento a sistemi di calcolo quantistico basati sullo spazio che erano imprecisi. Abbiamo rimosso questi riferimenti.

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