La promessa dei computer quantistici è immensa, ma altrettanto lo è la loro fragilità. In un contesto in cui i qubit rischiano di perdere coerenza per una minima interferenza, un gruppo di ricerca cinese ha ottenuto un risultato che potrebbe orientare l’intero settore verso una stagione di maggiore stabilità. Grazie al processore superconduttivo programmabile Zuchongzhi 2, il team guidato da Pan Jianwei (Università di Scienza e Tecnologia della Cina) ha creato un blocco quantistico in grado di mantenere la propria struttura informazionale anche se sottoposto a perturbazioni controllate.
La sfida della stabilità quantistica e l’approccio topologico
La coerenza quantistica è notoriamente volatile: tentare di preservarla equivale, come spiegano spesso gli scienziati, a portare una bolla di sapone attraverso una stanza affollata senza farla scoppiare. Con metodi tradizionali di correzione degli errori, il costo in termini di qubit e complessità cresce rapidamente, rendendo difficile scalare sistemi più sofisticati. Il gruppo cinese ha deciso quindi di percorrere una strada diversa, affidandosi alla topologia, un settore matematico dedicato allo studio delle proprietà globali delle forme.
In certe fasi topologiche della materia, alcuni stati risultano sorprendentemente robusti perché legati proprio a queste proprietà globali. Nel passato, i ricercatori avevano già osservato stati protetti lungo i bordi di materiali topologici; Pan e colleghi hanno però mirato a una frontiera più avanzata: le fasi topologiche di ordine superiore, dove gli stati protetti non emergono lungo linee o superfici, ma si concentrano in punti ristrettissimi, come gli angoli di una struttura. Questi corner modes non sono indistruttibili in senso assoluto, ma possono essere molto più resistenti rispetto agli stati quantistici ordinari.
La complessità cresce ulteriormente se si considera che il team non ha studiato sistemi in equilibrio, bensì fasi fuori dall’equilibrio, cioè sistemi in continua evoluzione, costantemente guidati da forze esterne. È un ambito in cui la natura non offre esempi diretti e dove gli scienziati hanno sempre incontrato difficoltà nel testare e osservare fenomeni analoghi.
La simulazione quantistica avanzata con Zuchongzhi 2
Per superare i limiti sperimentali, i ricercatori hanno sfruttato la programmabilità del processore Zuchongzhi 2, utilizzando una matrice di 6×6 qubit per costruire un simulatore quantistico in grado di imitare materiali sintetici con comportamento topologico complesso. Secondo quanto riportato dal South China Morning Post, il processore, riconfigurabile quasi come una CPU quantistica, ha permesso di progettare interazioni precise, calibrate per produrre le fasi topologiche di ordine superiore desiderate.
Attraverso una sequenza di operazioni controllate, il team ha generato sia fasi topologiche in equilibrio sia fasi non in equilibrio. Per rilevarne l’esistenza, non potendo contare su proprietà statiche, gli scienziati hanno adottato un metodo dinamico: osservare l’evoluzione temporale del comportamento dei qubit. Da queste misurazioni sono emersi segnali caratteristici dei corner modes, che hanno confermato il successo della simulazione.
Gli autori sintetizzano così il risultato del progetto pubblicato sulla rivista Science: “Abbiamo implementato fasi topologiche di ordine superiore, in equilibrio e non in equilibrio, utilizzando un processore quantistico superconduttivo bidimensionale programmabile.”
Il traguardo rappresenta la prima dimostrazione sperimentale di fasi topologiche non in equilibrio di ordine superiore su un processore programmabile, aprendo la strada a un nuovo uso dei dispositivi quantistici NISQ, notoriamente soggetti a rumore ma ora impiegabili per esplorare stati quantistici esotici impossibili da trovare in natura.
Sebbene il lavoro non realizzi ancora un qubit immune agli errori, suggerisce una via promettente: sfruttare la struttura topologica per costruire stati quantistici intrinsecamente più robusti. In futuro, modalità protette come queste potrebbero diventare la base di memorie e unità logiche più affidabili, abilitando applicazioni avanzate nella simulazione di sistemi complessi, nella progettazione di nuovi materiali e persino nella ricerca sull’intelligenza artificiale.
