Dopo anni di progressi lenti e promesse spesso ridimensionate, il mondo del computer quantistici potrebbe aver trovato una direzione concreta per superare uno dei suoi limiti storici: la lettura rapida e simultanea dei qubit.
Un team di fisici della Stanford University ha sviluppato un nuovo tipo di cavità ottica in grado di catturare in modo estremamente efficiente i fotoni emessi da singoli atomi ed è un risultato che, almeno sulla carta, apre la strada a computer quantistici molto più grandi, veloci e soprattutto scalabili.
Il problema chiave: leggere i qubit abbastanza in fretta
Nei computer tradizionali, leggere un bit (0 o 1) è un’operazione banale. Nei computer quantistici, invece, la situazione è molto più complessa: i qubit, basati su stati quantistici di particelle microscopiche, sono fragili e difficili da interrogare senza distruggerne l’informazione.
Gli atomi, in particolare, emettono luce lentamente e in tutte le direzioni, rendendo inefficiente la raccolta dei dati. Questo è uno dei principali colli di bottiglia che finora ha impedito di costruire computer quantistici con centinaia di migliaia o milioni di qubit.
La soluzione: una cavità ottica per ogni atomo
La novità introdotta dal team di Stanford è tanto semplice concettualmente quanto complessa dal punto di vista ingegneristico: assegnare a ogni singolo atomo la propria cavità ottica dedicata.
Nel lavoro pubblicato su Nature, i ricercatori descrivono:
- un sistema funzionante con 40 cavità ottiche, ognuna contenente un qubit atomico;
- un prototipo più grande con oltre 500 cavità, usato come dimostrazione di scalabilità.
Per la prima volta, questo approccio permette di leggere le informazioni da tutti i qubit in parallelo, invece che uno alla volta.
Come funziona una cavità ottica (in breve)
Una cavità ottica è una struttura che intrappola la luce tra superfici riflettenti, costringendola a rimbalzare più volte. In questo modo, anche una quantità minima di luce può essere sfruttata per estrarre informazioni.
Il problema è che gli atomi sono minuscoli e quasi trasparenti: farli interagire in modo efficace con la luce è sempre stato estremamente difficile.
Microlenti al posto di mille riflessioni
La svolta del team di Stanford è stata abbandonare l’idea di moltiplicare le riflessioni e puntare invece su un controllo molto più preciso della luce.
All’interno di ogni cavità sono state inserite microlenti, capaci di focalizzare il fascio luminoso direttamente sull’atomo e anche con meno rimbalzi, la luce interagisce in modo più efficace, rendendo la lettura del qubit più veloce e affidabile.
Non è più “solo” una coppia di specchi: è una nuova architettura di cavità, pensata fin dall’inizio per funzionare su larga scala.
Perché il quantum è diverso dal classico
Nei computer tradizionali, ogni bit può essere solo 0 oppure 1. Un qubit, invece, può trovarsi in una sovrapposizione di stati, rappresentando più possibilità contemporaneamente.
Questo permette ai computer quantistici di affrontare alcuni problemi – come simulazioni chimiche, materiali avanzati o crittografia – in modo radicalmente più efficiente rispetto ai computer classici, che devono provare le soluzioni una alla volta.
Verso reti di computer quantistici
Secondo i ricercatori, per superare davvero i supercomputer attuali serviranno milioni di qubit. Raggiungere questi numeri con una singola macchina è improbabile: la soluzione più realistica è creare reti di computer quantistici interconnessi.
L’interfaccia ottica sviluppata a Stanford è pensata proprio in quest’ottica: un sistema modulare, basato sulla luce, che può essere replicato e collegato in rete.
Dopo i prototipi da 40 e 500 cavità, il prossimo obiettivo dichiarato è arrivare a decine di migliaia di qubit, con la visione a lungo termine di veri e propri data center quantistici.
Impatti che vanno oltre il computing
Le applicazioni potenziali non si fermano all’informatica:
- chimica e materiali, con simulazioni oggi impossibili;
- farmaceutica, accelerando la scoperta di nuovi farmaci;
- crittografia, con nuove possibilità (e nuove minacce);
- biologia e medicina, grazie a sensori ottici più precisi;
- persino astronomia, con telescopi ottici a risoluzione potenziata.
La capacità di controllare e raccogliere la luce a livello di singola particella potrebbe avere ricadute molto più ampie di quanto sembri oggi.
Meno clamore, più ingegneria
Le sfide ingegneristiche restano enormi e nessuno parla di computer quantistici domestici nel breve periodo, ma rispetto a molte promesse passate, questo lavoro mostra qualcosa di raro nel mondo del quantum computing: un percorso tecnico credibile per scalare.
Non è la fine del viaggio, ma potrebbe essere uno dei primi passi davvero solidi verso computer quantistici che non restino confinati ai laboratori.
