Un nuovo passo avanti nel campo dei computer quantistici potrebbe risolvere uno dei problemi più concreti della disciplina: come controllare milioni di qubit in modo preciso, efficiente e scalabile. Un team di ricercatori ha infatti sviluppato un modulatore di fase ottica quasi 100 volte più sottile di un capello umano, capace di controllare la luce laser con una precisione estrema. Lo studio è stato pubblicato su Nature Communications.
La novità non riguarda solo le dimensioni del dispositivo, ma soprattutto il modo in cui viene prodotto: il chip è realizzato con tecnologie di fabbricazione CMOS, le stesse utilizzate per i microprocessori di computer, smartphone ed elettronica di consumo; un dettaglio tutt’altro che secondario, perché apre alla produzione su larga scala, requisito indispensabile per i futuri computer quantistici.
Perché i laser sono fondamentali nel calcolo quantistico
Molte delle architetture quantistiche più promettenti oggi si basano su ioni intrappolati o atomi neutri intrappolati, dove ogni atomo funge da qubit. Per manipolarli, i ricercatori utilizzano laser regolati con una precisione estrema, spesso con variazioni di frequenza nell’ordine dei miliardesimi di punto percentuale.
Il problema? Attualmente questi controlli vengono ottenuti con dispositivi da banco ingombranti, energivori e difficili da replicare in grandi quantità. Soluzioni valide per i laboratori, ma impraticabili quando si parla di migliaia o milioni di qubit.
È qui che entra in gioco il nuovo modulatore.
Un chip minuscolo, ma progettato per il mondo reale
Il progetto è stato guidato da Jake Freedman, dottorando in Ingegneria Elettrica, Informatica ed Energetica, insieme a Matt Eichenfield, professore di Ingegneria Quantistica, con la collaborazione dei Sandia National Laboratories.
Il dispositivo sfrutta vibrazioni a frequenza microonde, che oscillano miliardi di volte al secondo, per modulare direttamente la fase di un laser. In questo modo è possibile generare nuove frequenze laser stabili, precise ed efficienti, fondamentali non solo per il calcolo quantistico, ma anche per campi emergenti come il quantum sensing e il quantum networking.
80 volte meno consumo, molto meno calore
Uno dei dati più rilevanti riguarda l’efficienza energetica:
il nuovo chip utilizza circa 80 volte meno potenza a microonde rispetto a molti modulatori commerciali oggi in uso.
Meno energia significa meno calore, e meno calore significa la possibilità di integrare molti più canali ottici nello stesso spazio, persino su un singolo chip. È un passaggio chiave verso sistemi realmente scalabili, dove il controllo dei qubit non richieda intere stanze piene di strumentazione.
Come sottolinea Eichenfield: “Non costruirai mai un computer quantistico con 100.000 modulatori elettro-ottici da banco. Servono dispositivi integrabili, prodotti industrialmente e con consumi drasticamente ridotti.”
La svolta: fotonica quantistica prodotta come un microchip
Uno degli aspetti più importanti del progetto è che il dispositivo è stato realizzato interamente in una fabbrica di semiconduttori, utilizzando processi CMOS standard.
In altre parole, la fotonica quantistica inizia a seguire lo stesso percorso che ha reso possibile l’elettronica moderna: componenti minuscoli, replicabili e identici, prodotti in grandi volumi.
Secondo i ricercatori, questo passaggio segna una sorta di “rivoluzione del transistor” per l’ottica, abbandonando soluzioni equivalenti alle vecchie valvole termoioniche a favore di tecnologie fotoniche integrate.
Verso chip quantistici completamente integrati
Il team sta ora lavorando a circuiti fotonici completamente integrati, capaci di combinare su un unico chip:
- generazione di frequenze,
- filtraggio ottico,
- modellazione degli impulsi laser.
Il prossimo passo sarà testare questi dispositivi all’interno di computer quantistici avanzati, in collaborazione con aziende del settore.
“Questo dispositivo è uno degli ultimi pezzi del puzzle”, spiegano i ricercatori. “Ci stiamo avvicinando a una piattaforma fotonica realmente scalabile, in grado di controllare numeri molto elevati di qubit.”
Un progresso concreto, non solo teorico
In un settore spesso dominato da annunci futuristici, questo lavoro si distingue per un motivo preciso: affronta un problema ingegneristico reale, quello della scalabilità. Senza soluzioni come questa, il quantum computing rischia di restare confinato ai laboratori e con chip prodotti come normali microprocessori, invece, l’idea di computer quantistici su larga scala diventa finalmente credibile.
Il progetto è stato finanziato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti attraverso il programma Quantum Systems Accelerator, parte della National Quantum Initiative.
