Un gruppo di ricercatori dell'Università di Princeton ha raggiunto un risultato che potrebbe accelerare significativamente l'avvento di computer quantistici realmente utilizzabili. Il team ha sviluppato un qubit superconduttore con un tempo di coerenza superiore a 1 millisecondo, quasi quindici volte più lungo dello standard industriale attuale e tre volte superiore al miglior risultato mai documentato in laboratorio. La ricerca, pubblicata sulla prestigiosa rivista Nature, rappresenta il più significativo progresso singolo in questo parametro critico registrato negli ultimi dieci anni, aprendo prospettive concrete per sistemi scalabili e correzione efficiente degli errori.
Il tempo di coerenza dei qubit costituisce infatti il tallone d'Achille delle attuali tecnologie quantistiche. Come spiega Andrew Houck, decano dell'ingegneria a Princeton e co-investigatore principale dello studio, "la vera sfida, ciò che oggi ci impedisce di avere computer quantistici utili, è che costruisci un qubit e l'informazione semplicemente non dura a lungo". Durante questo brevissimo intervallo temporale, il qubit deve completare tutte le operazioni di calcolo prima che errori inevitabili compromettano i risultati. Estendere questa finestra temporale significa moltiplicare esponenzialmente la capacità di calcolo dell'intero sistema.
La chiave dell'innovazione risiede in una combinazione di materiali apparentemente semplice ma tecnicamente complessa da realizzare: tantalio e silicio. Il team guidato da Houck e dalla co-investigatrice Nathalie de Leon, direttrice associata della Princeton Quantum Initiative, ha sostituito l'alluminio tradizionalmente utilizzato nei circuiti superconduttori con il tantalio, un metallo che presenta intrinsecamente meno difetti superficiali. Questi difetti microscopici agiscono come trappole energetiche, assorbendo l'energia del qubit durante i calcoli e introducendo errori che si moltiplicano quando più qubit vengono integrati in un chip.
Parallelamente, i ricercatori hanno abbandonato il substrato di zaffiro convenzionale in favore del silicio ad alta purezza, materiale standard dell'industria elettronica. L'intuizione iniziale proviene da Robert Cava, professore di chimica a Princeton ed esperto di materiali superconduttori, che nel 2021 suggerì al team le potenzialità del tantalio nonostante non avesse esperienza diretta nel calcolo quantistico. "Il tantalio è eccezionalmente robusto e può sopravvivere alle pulizie aggressive necessarie per rimuovere le contaminazioni dal processo di fabbricazione", spiega Faranak Bahrami, ricercatrice postdottorale e co-autrice principale dell'articolo insieme al dottorando Matthew P. Bland.
La crescita diretta di tantalio su silicio ha richiesto il superamento di numerose sfide tecniche legate alle proprietà intrinseche dei due materiali. Tuttavia, una volta perfezionato il processo, le misurazioni hanno rivelato che la maggior parte delle perdite energetiche residue proveniva effettivamente dal substrato di zaffiro. La sostituzione con silicio ultrapuro ha eliminato questa fonte di errore, permettendo al qubit di mantenere la propria coerenza per periodi senza precedenti.
L'impatto di questo progresso diventa ancora più rilevante considerando che il design sviluppato a Princeton utilizza circuiti di tipo transmon, già impiegati da leader industriali come Google e IBM. Questi qubit superconduttori operano a temperature estremamente basse e offrono una tolleranza relativamente elevata alle interferenze esterne, oltre a essere compatibili con le attuali tecnologie di produzione elettronica. La compatibilità del nuovo design con le architetture esistenti significa che potrebbe essere integrato nei processori attuali senza necessità di riprogettazioni radicali.
I benefici del qubit di Princeton crescono esponenzialmente con l'aumentare delle dimensioni del sistema. In un ipotetico computer quantistico da 1.000 qubit, sostituire i componenti attuali con quelli sviluppati dal team porterebbe a un miglioramento delle prestazioni dell'ordine di un miliardo di volte. Questa scalabilità esponenziale rappresenta un elemento cruciale per affrontare le due maggiori sfide dell'industria quantistica: l'espansione del numero di qubit e la correzione degli errori.
Michel Devoret, scienziato capo per l'hardware presso Google Quantum AI e Premio Nobel per la Fisica 2025, ha definito la sfida di estendere la vita dei circuiti quantistici un "cimitero" di idee per molti fisici. "Nathalie ha avuto davvero il coraggio di perseguire questa strategia e farla funzionare", ha commentato, sottolineando anche l'importanza della collaborazione tra università e industria nel far avanzare le frontiere tecnologiche. Mentre i laboratori universitari possono concentrarsi sugli aspetti fondamentali che limitano le prestazioni, l'industria può scalare questi progressi in sistemi di larga scala.
La ricerca ha validato le prestazioni del nuovo qubit costruendo un chip quantistico completamente funzionante, dimostrando non solo il vantaggio teorico ma anche la fattibilità pratica della tecnologia. Un aspetto particolarmente promettente riguarda la produzione: il silicio è ampiamente disponibile con purezze estremamente elevate e rappresenta la base dell'intera industria dei semiconduttori. Come evidenzia de Leon, "abbiamo dimostrato che è possibile con il silicio", rendendo relativamente agevole per chiunque lavori su processori scalabili l'adozione di questa tecnologia.
Il lavoro rappresenta la sintesi di competenze complementari: il gruppo di Houck specializzato nella costruzione e ottimizzazione di circuiti superconduttori, il laboratorio di de Leon focalizzato sulla metrologia quantistica e sui materiali, e il team di Cava con tre decenni di esperienza all'avanguardia nei materiali superconduttori. Questa sinergia interdisciplinare ha prodotto risultati che nessun gruppo avrebbe potuto raggiungere isolatamente, un modello di collaborazione che potrebbe ispirare futuri progressi nel settore.