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Quantum computer al silicio su larga scala con CMOS. Nuovo passo avanti in Australia

Un team di ingegneri della start-up Diraq e dell’UNSW Sydney ha individuato un nuovo meccanismo per il controllo degli elettroni annidati nei quantum point che gestiscono le porte logiche quantistiche. Non richiede sovrastrutture, è semplice e pratico. Potrebbe rappresentare una consistente svolta per la realizzazione di computer quantistici al silicio su larga scala con tecnologie CMOS, le stesse oggi ampiamente utilizzati per circuiti integrati, chip compresi. 

Pubblicato il 26 Gen 2023

Quantum computer al silicio su larga scala con CMOS

Poter controllare i singoli elettroni senza disturbare gli altri nelle vicinanze è un passaggio essenziale per poter elaborare l’informazione quantistica nel silicio. Lo sanno bene i tanti gruppi di ricerca che ci lavorano da anni, indagando ogni singolo effetto “strano” e inedito osservato nei propri esperimenti.

Finora esistevano solo due metodi consolidati – ESR e EDSR – ed entrambi richiedono dei dispositivi aggiuntivi ad hoc. Ora ne è stato scoperto un terzo che ne può fare a meno: l’EDSR spin-orbita intrinseca. Lo hanno individuato gli ingegneri della start-up di quantum computing Diraq e dell’UNSW Sydney, potrebbe essere decisivo per la realizzazione di computer quantistici al silicio su larga scala.

Controllo elettroni resta preciso, ma meno ingombrante

La scoperta di questo nuovo meccanismo, da poter sfruttare nelle sfide quantistiche, è stata riportata anche nella rivista Nature Nanotechnology. Per gli addetti ai lavori è una potenziale svolta che, a catena, potrebbe dare vantaggi enormi. Non è subito evidente il suo effetto, ma si può pensare che oggi aziende e università sono fortemente impegnati a migliorare il processo di realizzazione di computer quantistici su larga scala, perfezionandolo “pezzo per pezzo”. In questo caso, ad esempio, il focus è sul controllo preciso dei singoli elettroni annidati nei quantum point che gestiscono le porte logiche. Questi “gate” sono l’elemento base di tutte le computazioni e tradizionalmente permettono ai “bit” di interagire per elaborare le informazioni con 0 e 1.

I qubit possono assumere entrambi gli stati contemporaneamente (superposizione), quindi consentono una moltitudine di strategie di calcolo. Per sfruttarle è necessario indagare i quantum point di cui sono costituiti, minuscoli nanodispositivi che possono intrappolare uno o pochi elettroni. È per questo che il controllo di singoli elettroni senza disturbare gli altri nelle vicinanze è essenziale per l’elaborazione dell’informazione quantistica nel silicio.

Finora si poteva usare la risonanza di spin degli elettroni (ESR), con un’antenna a microonde su chip, oppure la risonanza di spin del dipolo elettrico (EDSR), con un campo magnetico a gradiente indotto. Entrambi i metodi restano validi, ma la tecnica appena scoperta – EDSR spin-orbita intrinseca- è meno ingombrante da costruire. Non richiede di posizionare strutture aggiuntive intorno a ciascun gate per generare l’effetto di controllo. Quindi rende più “ordinato”, ma anche meno complesso e costoso, uno dei tanti passaggi utili per realizzare computer quantistici al silicio su larga scala.

CMOS, la tecnologia già pronta che non richiede materiali esotici

Questo meccanismo nuovo e prezioso arricchisce ulteriormente il patrimonio di tecnologie proprietarie che questo team australiano ha sviluppato negli ultimi 20 anni di ricerca. Un lavoro certosino e “da maratoneti”, in nome di una informatica quantistica nel silicio realizzabile basandosi sulle stesse tecnologie dei componenti semiconduttori dei chip per computer esistenti.

La scelta di non puntare sulla ricerca di materiali esotici, ma sulla tecnologia CMOS dell’industria informatica odierna, secondo Diraq e l’UNSW Sydney, renderà più facile e veloce la scalabilità per la produzione commerciale e la fabbricazione di miliardi di qubit su un singolo chip.

Il CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) è il processo di fabbricazione alla base dei computer moderni. Viene utilizzato per realizzare ogni tipo di componente di circuito integrato, tra cui microprocessori, microcontrollori, chip di memoria e altri circuiti logici digitali, oltre a circuiti analogici come sensori di immagine e convertitori di dati. Poter costruire anche un computer quantistico con gli stessi strumenti e tecniche, sarebbe estremamente comodo e conveniente. E restituirebbe dignità a tutta la tecnologia che l’acronimo CMOS nasconde e che rischiamo di dimenticarci di avere a disposizione.

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