Un team di fisici ha fissato le linee guida di un progetto per la costruzione di un computer quantistico basato su tecnologia esistente, ma allo stesso tempo abbastanza potente da occuparsi di problemi importanti e attualmente irrisolvibili, come la fattorizzazione di numeri enormi. Questo complesso sistema potrebbe estendersi su un'area grande quanto un campo di calcio e per realizzarlo servirebbero almeno 126 milioni di dollari.

"Sì sarà grande, sì sarà costoso, ma si può assolutamente costruire oggi", ha affermato il fisico quantistico Winfried Hensinger della University of Sussex, Regno Unito, a capo del team che ha illustrato il progetto in un articolo su Science Advances.

Andrea Morello, fisico quantistico presso la University of New South Wales (Sydney, Australia), ritiene che il progetto ponga sfide ingegneristiche complesse, ma è notevole per ambizione e approccio. "Credo che questo documento sarà un punto di riferimento, e sarà molto influente nella comunità per molti anni a venire".

Un prototipo del nucleo fondamentale del computer quantistico.

I computer quantistici consentono di sfruttare le notevoli proprietà delle particelle quantistiche, che permettono di fare determinati calcoli a una velocità che i classici computer potrebbero non raggiungere mai. Al momento i ricercatori di tutto il mondo sono in competizione per realizzare soluzioni in scala, ma la maggior parte dei progetti si basa su qualche decina di qubit. Troppo pochi. Ne servirebbero infatti molte migliaia per fare calcoli utili, come trovare i fattori primi di grandi numeri.

Il team di Hensinger suggerisce l'uso di ioni intrappolati in campi magnetici per la creazione dei qubit, un approccio su cui i fisici stanno lavorando da oltre 20 anni. Secondo Christopher Monroe, fisico della University of Maryland (College Park), gran parte dei componenti necessari è già stata dimostrata.

Il progetto conta su migliaia di moduli quadrati della dimensione di una mano, connessi tra loro per produrre – in teoria – un computer quantistico di qualsiasi dimensione. In ogni modulo circa 2500 qubit sarebbero sospesi in campo magnetici, protetti dalle interferenze che potrebbero intaccarne gli stati quantici. Per svolgere le operazioni, gli ioni dovrebbero interagire con i loro vicini, muovendosi su una griglia a forma di x (in modo simile ai personaggi di PacMan, spiegano gli studiosi).

Anziché usare singoli laser per controllare gli ioni intrappolati, il team propone di controllare i qubit con un campo di radiazioni a microonde che attraversi l'intero computer. Per fare in modo che i singoli qubit interagiscano con il campo più ampio, sarebbe necessaria solamente una tensione locale. Affinché il tutto funzioni, i fisici suggeriscono di usare l'azoto liquido per mantenere il sistema al fresco.

Secondo Winfried Hensinger gli ioni in questo sistema salterebbero da chip a chip, trasmettendo informazioni tra i moduli a velocità 100.000 volte maggiori rispetto ai sistemi che usano le onde luminose e fibre ottiche per il trasferimento dei segnali. I singoli moduli sarebbero sostituibili, costruiti su basi di silicio che potrebbero essere realizzate con tecniche usate dall'industria elettronica tradizionale.

Per trovare i fattori primi di un numero a 2048 bit, qualcosa di impossibile per computer moderno, il computer avrebbe bisogno di 2 miliardi di ioni/qubit. Impiegherebbe 110 giorni a risolvere il problema, e consentirebbe ai ricercatori di aggirare i sistemi di codifica migliori disponibili finora.

In teoria per questo calcolo servirebbero solo 4096 qubit, ma in realtà sarebbero necessari 2 miliardi di ioni per via dei tassi d'errore legati alla ridotta qualità dei qubit. Riducendo il tasso al quale i qubit fanno errori si potrebbero ridurre drasticamente le dimensioni del computer, forse a quelle di "una grande stanza".

Affinché la comunità accarezzi l'idea di realizzare davvero un progetto simile, Hensinger e i suoi colleghi stanno costruendo un prototipo basato sul loro progetto, nel tentativo di dimostrare che l'idea funziona davvero.