Il quantum computing ha compiuto un passo decisivo verso la realizzazione di macchine affidabili e scalabili grazie a un nuovo tipo di qubit superconduttore sviluppato dai ricercatori di Princeton. Il componente mantiene la propria coerenza quantistica per oltre un millisecondo, un risultato che triplica i tempi di stabilità ottenuti finora nei laboratori più avanzati e supera di quasi quindici volte gli standard utilizzati nei processori quantistici industriali. Si tratta del miglioramento più significativo registrato negli ultimi dieci anni, un avanzamento che potrebbe finalmente sbloccare le potenzialità pratiche di questa tecnologia rivoluzionaria. La ricerca, pubblicata sulla rivista Nature il 5 novembre, rappresenta una svolta metodologica e materiale che già attira l'attenzione dell'industria globale del quantum computing.
Il principale ostacolo che impedisce oggi la diffusione di computer quantistici funzionanti è la fragilità intrinseca dei qubit, le unità fondamentali di informazione quantistica. A differenza dei bit classici, che conservano stabilmente valori binari, i qubit perdono rapidamente le proprie proprietà quantistiche a causa delle interferenze ambientali, un fenomeno noto come decoerenza. Andrew Houck, direttore di un centro nazionale di ricerca quantistica finanziato dal governo federale statunitense e decano dell'ingegneria a Princeton, ha spiegato che la vera sfida che impedisce oggi di avere computer quantistici utili è che si costruisce un qubit e l'informazione semplicemente non dura abbastanza a lungo. Estendere il tempo di coerenza diventa quindi essenziale per completare calcoli complessi prima che gli errori rendano inutilizzabili i risultati.
La strategia sviluppata dal team di Princeton si basa su una combinazione innovativa di materiali: tantalio per i circuiti superconduttori e silicio ad alta purezza come substrato. I qubit superconduttori di tipo transmon, su cui si fonda il progetto, operano a temperature prossime allo zero assoluto e sono già ampiamente utilizzati da aziende come Google e IBM per la loro resistenza alle perturbazioni esterne e la compatibilità con gli strumenti di fabbricazione moderni. Tuttavia, i recenti progressi avevano raggiunto un plateau a causa di difetti microscopici nei materiali, che intrappolano energia e disturbano lo stato quantistico durante le operazioni. I risultati di Google sul suo processore più recente hanno confermato che questi difetti materiali rappresentano oggi la principale barriera tecnologica.
Il tantalio si distingue per contenere naturalmente un numero minore di difetti superficiali rispetto all'alluminio, il metallo convenzionalmente impiegato nei circuiti quantistici. Questa caratteristica riduce drasticamente le perdite di energia che causano errori nei calcoli. Nathalie de Leon, co-direttrice della Princeton Quantum Initiative e investigatrice principale del progetto, aveva introdotto il tantalio nei chip superconduttori già nel 2021, collaborando con il chimico Robert Cava, specialista di materiali superconduttori. Cava aveva suggerito il tantalio dopo aver assistito a una presentazione di de Leon sui limiti dei materiali esistenti. Poi lei lo ha fatto davvero, ha commentato Cava, questa è la parte sorprendente.
I primi esperimenti con tantalio su substrati di zaffiro avevano già mostrato miglioramenti significativi, avvicinandosi al precedente record mondiale di coerenza. Tuttavia, la ricercatrice Faranak Bahrami e il team hanno identificato nel substrato di zaffiro la fonte residua principale di perdita energetica. La sostituzione con silicio ultrapuro ha eliminato questo problema. Il silicio, materiale fondante dell'industria dei semiconduttori, offre inoltre vantaggi pratici in termini di scalabilità e compatibilità con le infrastrutture manifatturiere esistenti. Far crescere tantalio direttamente su silicio ha richiesto la soluzione di diversi problemi tecnici legati all'interazione tra i due materiali, ma il risultato ha superato le aspettative.
La combinazione di tantalio e silicio, unita a tecniche di fabbricazione raffinate, ha prodotto uno dei maggiori progressi mai ottenuti in un qubit transmon. Bahrami ha sottolineato che il tantalio resiste alle pulizie aggressive con acidi necessarie per rimuovere contaminanti durante la fabbricazione, mantenendo inalterate le proprie proprietà superconduttrici. Houck ha definito il risultato una svolta fondamentale nel percorso verso il quantum computing utile. Il team ha inoltre costruito un chip quantistico funzionante basato sul nuovo design, dimostrando che supporta la correzione degli errori e può essere scalato verso sistemi più grandi.
Le implicazioni pratiche sono notevoli. Secondo l'analisi dei ricercatori, integrare questa tecnologia nell'architettura del processore Willow di Google potrebbe moltiplicarne le prestazioni per un fattore di mille. Houck ha precisato che i vantaggi crescono esponenzialmente con l'aumentare del numero di qubit: un computer teorico da mille qubit basato sul design di Princeton potrebbe operare circa un miliardo di volte più efficacemente rispetto ai sistemi attuali. Questo perché il tempo di coerenza più lungo consente sia di collegare più qubit insieme sia di eseguire più operazioni prima dell'accumulo di errori critici.
Michel Devoret, chief scientist per l'hardware presso Google Quantum AI e vincitore del Premio Nobel per la Fisica 2025, ha descritto la sfida di estendere la vita dei circuiti quantistici come un cimitero di soluzioni tentate. Devoret, il cui gruppo ha fornito finanziamenti parziali al progetto, ha elogiato il coraggio di de Leon nel perseguire questa strategia fino al successo. La ricerca ha ricevuto il sostegno principale dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti attraverso i Centri Nazionali di Ricerca sulla Scienza dell'Informazione Quantistica, in particolare dal Co-design Center for Quantum Advantage (C2QA), diretto da Houck dal 2021 al 2025.
Il progetto rappresenta un esempio di sinergia tra competenze diverse: Houck si è concentrato sulla progettazione e ottimizzazione dei circuiti superconduttori, de Leon ha portato l'esperienza in metrologia quantistica e metodi di fabbricazione, mentre Cava ha applicato decenni di ricerca sui materiali superconduttori. De Leon ha sottolineato che abbiamo dimostrato che è possibile realizzarlo in silicio, aggiungendo che i passi critici e le caratteristiche fondamentali identificati rendono ora relativamente semplice per chiunque lavori su processori scalabili adottare questo approccio. Devoret ha evidenziato l'importanza delle collaborazioni tra università e industria: i ricercatori accademici possono esplorare i limiti fondamentali delle prestazioni quantistiche, mentre i partner industriali applicano le scoperte a sistemi su larga scala.
Le prospettive future si concentrano sull'integrazione di questa tecnologia nelle piattaforme industriali esistenti e sull'ulteriore ottimizzazione dei processi di fabbricazione. Il fatto che il design sia compatibile con le architetture utilizzate dalle principali aziende del settore facilita il trasferimento tecnologico. Restano da esplorare i limiti ultimi dei tempi di coerenza ottenibili con questa combinazione di materiali e le strategie per mantenere le prestazioni quando centinaia o migliaia di qubit vengono integrati in un singolo processore.
