Computer quantistici in silicio

Nell'implantatore di ioni singoli TIBUSSII (Sistema UHV a Triplo Fascio di Ioni per Impianto di Ioni Singoli) è possibile introdurre miratamente singoli atomi estranei in un materiale, ad esempio per generare qubit. (Immagine: B. Schröder / HZDR) / Nell'implantatore di ioni singoli TIBUSSII (Sistema UHV a Triplo Fascio di Ioni per Impianto di Ioni Singoli), singoli droganti possono essere impiantati atomo per atomo in un materiale, ad esempio per generare qubit. (Fonte: B. Schröder / HZDR)

Il consorzio EQUSPACE (Abilitare nuove frontiere quantistiche con spin acoustics nel silicio) ha ricevuto 3,2 milioni di euro dal programma di finanziamento Pathfinder Open del Consiglio Europeo dell'Innovazione (European Innovation Council – EIC) per promuovere lo sviluppo di tecnologie quantistiche a base di silicio. Il progetto riunisce oltre al Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) altri quattro partner provenienti da tre paesi dell'UE e unisce esperti nei settori di spin-qubit, optomeccanica e modificazioni atomiche del silicio, per sviluppare una piattaforma quantistica innovativa basata sul silicio.

Sebbene il silicio sia il materiale centrale per i computer classici, al momento non svolge un ruolo chiave nei concetti di computer quantistici più favoriti. Tuttavia, sarebbe molto utile utilizzare anche l'infrastruttura di silicio, già sviluppata con la tecnologia dei semiconduttori e dal valore di diversi miliardi di euro, anche per l'elaborazione di qubit – le unità di informazione quantistica. Ricercatori hanno dimostrato che i cosiddetti spin-qubit donatori sono particolarmente adatti a questo scopo. Questi qubit sfruttano una proprietà di atomi estranei, il loro spin, per elaborare informazioni. Si distinguono rispetto ad altri sistemi quantistici per le lunghe durate durante le quali rimangono stabili, consentendo di eseguire operazioni di calcolo quantistico. Tuttavia, attualmente non sono il cavallo di battaglia dei computer quantistici commerciali, poiché mancano meccanismi di accoppiamento e lettura adeguati che possano essere utilizzati per scalare a livelli praticamente utilizzabili.

EQUSPACE mira ora a creare in Europa un futuro a lungo termine per i spin-qubit donatori su base di silicio. La piattaforma intende collegare tra loro i qubit basati su minuscoli spin atomici tramite onde sonore in strutture oscillanti. Inoltre, verranno impiegati laser e transistor a singolo elettrone per leggere elettricamente il risultato alla fine del calcolo quantistico. Il progetto dovrebbe offrire una soluzione scalabile per tutti gli aspetti importanti di una piattaforma quantistica: il controllo e la lettura del risultato, il accoppiamento spin-spin tra i qubit e il trasferimento di informazioni quantistiche tra unità di calcolo sul chip. Il risultato finale potrebbe essere una piattaforma di informazione quantistica completa, che includa qubit, elementi di collegamento e elettronica di controllo e lettura scalabile.

Competenza HZDR nella tecnologia quantistica del silicio

Un team dell'Istituto di fisica dei fasci di ioni e ricerca sui materiali del HZDR metterà a frutto la propria esperienza nella modifica atomica del silicio per applicazioni quantistiche e svilupperà ulteriormente i metodi scientifici dei materiali necessari come base per il progetto. Il team utilizzerà un fascio di ioni focalizzato per arricchire localmente il silicio ultra-puro con l'isotopo Silicio-28. Il Silicio-28 ha il vantaggio che i suoi nuclei atomici, rispetto a molti altri materiali, non possiedono spin che possano interagire con campi magnetici o con lo spin di altre particelle, evitando così possibili interferenze nelle calcolazioni. "Attraverso l'arricchimento mirato con isotopi specifici, lo stato quantistico rimane stabile più a lungo. Ciò consente operazioni quantistiche più complesse e la piattaforma può, in prospettiva, superare i computer classici e altri sistemi quantistici", afferma il responsabile del progetto HZDR, il dottor Nico Klingner.

Oltre all'arricchimento isotopico, il team sviluppa l'impianto di singoli ioni di atomi donatori. Con questa tecnica si intendono impiantare singoli atomi di bismuto, il cui spin forma un sistema a due stati, che può mostrare preferibilmente "su" o "giù". La particolarità di questi qubit è che, a temperature molto basse, entrambi gli stati possono coesistere in sovrapposizione: lo spin può trovarsi contemporaneamente in una combinazione degli stati "su" e "giù". In questo modo, i computer quantistici possono eseguire molte operazioni in parallelo, aumentando drasticamente la loro potenza di calcolo.

Uno dei principali vantaggi degli spin-qubit donatori è la loro relativa stabilità rispetto ad altri tipi di qubit, come quelli basati su circuiti superconduttori. Lo spin in un atomo donatore è meno soggetto a disturbi dall'ambiente, permettendo di mantenere lo stato quantistico per periodi più lunghi. Questa stabilità è essenziale per la scalabilità dei computer quantistici a un numero maggiore di qubit, senza perdere coerenza o precisione nei calcoli. "Questi contributi dell'HZDR, in particolare nei settori di pulizia isotopica, impianto e ottimizzazione delle tensioni nei semiconduttori, sono fondamentali per il successo del progetto EQUSPACE", valuta il professor Juha Muhonen, coordinatore del progetto.

Rafforzare la posizione dell'Europa nella competizione globale sui computer quantistici

Il consorzio EQUSPACE include ricercatori dell'Università di Jyväskylä, del VTT Technical Research Centre of Finland, dell'HZDR, dell'NWO Institute AMOLF nei Paesi Bassi e della startup finlandese SemiQon Oy. La collaborazione riflette il crescente impegno dell'Europa nel contesto della corsa globale ai computer quantistici. Di fronte a una concorrenza sempre più agguerrita da parte di paesi leader come USA, Cina, Canada e Australia, l'industria europea dei computer quantistici si trova ad affrontare grandi sfide.

"L'approccio di EQUSPACE è di fondamentale importanza per garantire che l'Europa rimanga competitiva nel rapido sviluppo delle tecnologie quantistiche. Con questo finanziamento, EQUSPACE sta costruendo una rete di ricerca forte in Europa basata sui spin-qubit donatori – uno sviluppo che rafforzerà a lungo termine l'industria quantistica europea", spiega Muhonen. Il finanziamento fa parte del programma di supporto Horizon Europe. Il progetto, guidato dall'Università di Jyväskylä, inizierà il 1° febbraio 2025.

Finanziato dall'Unione Europea. Le opinioni espresse sono esclusivamente degli autori e non riflettono necessariamente quelle dell'Unione Europea o del Consiglio Europeo dell'Innovazione. Né l'Unione Europea né l'ente di finanziamento possono essere ritenuti responsabili.

Ulteriori informazioni:

Prof. Juha Muhonen
Università di Jyväskylä
Tel.: +358401905352 | E-mail: juha.t.muhonen@jyu.fi

Dott. Nico Klingner
Istituto di fisica dei fasci di ioni e ricerca sui materiali del HZDR
Tel.: +49 351 260 2524 | E-mail: n.klingner@hzdr.de