È davvero il primo computer quantistico al mondo basato sui diamanti?
Un computer quantistico capace di funzionare a temperatura ambiente, alimentato attraverso una normale presa elettrica e abbastanza compatto da essere installato in un rack per server: è questa la promessa tecnologica con cui la startup tedesca Saxon Q ha presentato quello che definisce il primo sistema di calcolo quantistico basato su diamanti ad aver superato la soglia dei 10 qubit.
La caratteristica più interessante non riguarda però soltanto il numero di qubit. Il vero elemento di discontinuità è l’architettura: invece di ricorrere ai tradizionali sistemi quantistici che richiedono temperature prossime allo zero assoluto e infrastrutture criogeniche complesse, la macchina utilizza centri di vacanza dell’azoto (NV) presenti in diamanti sintetici, trasformando una particolare imperfezione del materiale in un elemento capace di elaborare informazione quantistica.
Come può un diamante diventare un componente di un computer quantistico?
L’idea nasce da una proprietà apparentemente paradossale del diamante: per costruire un dispositivo quantistico non serve necessariamente un cristallo perfetto, ma può essere più utile un materiale nel quale siano state introdotte imperfezioni controllate. La ricerca sui cosiddetti centri NV risale a osservazioni effettuate già negli anni Settanta, quando gli scienziati notarono che alcuni diamanti emettevano una caratteristica luce rossa dopo essere stati sottoposti a specifici trattamenti.
Gli studi successivi hanno permesso di comprendere che il fenomeno era legato alla presenza combinata di un atomo di azoto e di una posizione lasciata vuota nella struttura ordinata degli atomi di carbonio. In laboratorio è oggi possibile creare artificialmente queste configurazioni nei diamanti sintetici e sfruttare il comportamento degli elettroni associati al difetto.
È proprio lo spin dell’elettrone a trasformare questa imperfezione microscopica in un possibile qubit. Attraverso laser specifici, gli elettroni possono essere preparati in uno stato iniziale che viene convenzionalmente associato allo zero; successivamente, impulsi a microonde permettono di modificarne lo stato e di portarli in configurazioni che non hanno un equivalente diretto nell’informatica classica. Un bit tradizionale può rappresentare 0 oppure 1, mentre un qubit può essere preparato in una sovrapposizione di stati quantistici, una delle proprietà fondamentali che rendono il calcolo quantistico radicalmente diverso da quello convenzionale.
Qual è stata la scoperta che ha permesso a Saxon Q di superare i 10 qubit?
Secondo Marius Grundmann, professore di fisica sperimentale all’Università di Lipsia e cofondatore di Saxon Q, il passaggio decisivo non sarebbe stato soltanto un progresso nell’elettronica o nel software, ma una soluzione legata direttamente alla scienza dei materiali. Durante la produzione dei diamanti sintetici contenenti le vacanze di azoto, il gruppo introduce anche atomi di zolfo. Questa co-implantazione avrebbe consentito di ottenere un controllo più efficace delle proprietà elettriche dei difetti e, soprattutto, di aumentare la probabilità che la vacanza rimanga associata all’atomo di azoto nella configurazione desiderata.
Il ruolo dello zolfo è particolarmente importante perché, secondo Grundmann, contribuisce a fornire l’elettrone necessario affinché il centro NV assuma una configurazione negativamente carica, più adatta all’utilizzo come qubit. In termini pratici, una maggiore stabilità e controllabilità dei singoli centri quantistici permette di preparare i qubit con il laser, manipolarli mediante impulsi a microonde e quindi sottoporli alle procedure necessarie per la correzione degli errori.
Saxon Q ha dichiarato una fedeltà del 99,92% prima della correzione degli errori, mentre i dati più recenti citati da Grundmann, aggiornati al 22 luglio, indicherebbero una fedeltà del 99,98% nelle operazioni a singolo qubit. Si tratta di numeri molto elevati, ma è importante sottolineare che questi risultati non sono stati verificati indipendentemente nell’ambito delle informazioni disponibili.
Quanto è potente il computer quantistico di Saxon Q?
La roadmap presentata dall’azienda va ben oltre il primo sistema a doppia cifra. I dispositivi rack-mounted sarebbero già disponibili in configurazioni fino a 128 qubit, mentre una versione da 512 qubit è prevista per la consegna nel prossimo anno. L’obiettivo dichiarato è ancora più ambizioso: arrivare a 10.000 qubit e oltre dopo il 2030. È però proprio su questo punto che emerge una delle principali difficoltà della tecnologia. Avere molti qubit non significa automaticamente disporre di un computer quantistico più potente o più utile: contano anche la qualità dei qubit, la velocità delle operazioni, la connettività tra loro, la stabilità dello stato quantistico e la capacità di correggere gli errori senza introdurne di nuovi.
La stessa architettura presenta inoltre un problema di miniaturizzazione. I chip attualmente utilizzati da Saxon Q sarebbero limitati a matrici capaci di supportare 8 o 16 qubit. Per costruire sistemi da centinaia o migliaia di qubit sarà quindi necessario concentrare un numero molto maggiore di centri quantistici all’interno di una singola matrice, mantenendo contemporaneamente un controllo estremamente preciso sulle loro interazioni.
È una sfida che diventa ancora più complessa quando si considera che i futuri computer quantistici realmente utili potrebbero richiedere centinaia di migliaia o addirittura milioni di qubit fisici per ottenere una quantità significativa di qubit logici tolleranti agli errori.
Perché il funzionamento a temperatura ambiente potrebbe cambiare il mercato?
È qui che il progetto tedesco potrebbe avere una caratteristica particolarmente interessante. I computer quantistici basati su qubit superconduttivi richiedono normalmente sistemi criogenici estremamente complessi, oltre a infrastrutture e apparecchiature di controllo specializzate. Un sistema che può invece essere installato in un rack standard, collegato alla corrente alternata e utilizzato direttamente attraverso una rete informatica riduce drasticamente la barriera infrastrutturale per chi vuole sperimentare il calcolo quantistico fuori dai grandi centri di ricerca.
Grundmann sostiene che la macchina sia in grado di eseguire codice quantistico attraverso la rete e di funzionare come un sistema multiutente, multitasking e multicore. Se queste caratteristiche dovessero essere confermate da valutazioni indipendenti e comparabili con quelle utilizzate per altre architetture, il vantaggio non sarebbe soltanto logistico. Potrebbe diventare particolarmente interessante in applicazioni di edge computing, dove inviare continuamente dati a un computer quantistico remoto attraverso il cloud potrebbe introdurre una latenza incompatibile con alcune esigenze operative, per esempio nella robotica avanzata o nei sistemi di guida autonoma.
I computer quantistici a diamante possono competere con quelli criogenici?
La risposta, per ora, non è ancora definitiva. Il confronto tra piattaforme quantistiche differenti è complesso e non può essere determinato dal solo numero di qubit. I sistemi basati su centri NV nel diamante sono stati studiati in modo particolarmente intenso anche per applicazioni di quantum sensing, mentre le architetture superconduttive hanno raggiunto livelli di maturità considerevoli nel campo del calcolo quantistico. Alcune ricerche suggeriscono inoltre che i computer quantistici superconduttivi possano offrire velocità operative superiori rispetto ai sistemi NV basati sul diamante.
Saxon Q sostiene tuttavia di avere già sviluppato un computer quantistico pienamente funzionante. La vera questione, adesso, sarà stabilire attraverso benchmark indipendenti, pubblicazioni scientifiche e confronti riproducibili quanto le prestazioni dichiarate siano competitive rispetto alle altre piattaforme. La disponibilità di una macchina che non necessita di criogenia rappresenta senza dubbio un risultato tecnologico interessante, ma il passaggio da una dimostrazione ingegneristica a una piattaforma quantistica realmente scalabile rimane una delle sfide più importanti del settore.
Se il percorso verso i 10.000 qubit dopo il 2030 dovesse concretizzarsi, il significato del progetto andrebbe ben oltre la semplice miniaturizzazione di un computer quantistico. Potremmo trovarci davanti a un modello nel quale il calcolo quantistico smette progressivamente di essere confinato a laboratori altamente specializzati e diventa una tecnologia installabile direttamente nell’infrastruttura informatica di aziende, centri di ricerca e sistemi industriali.
Per ora, però, il punto più interessante è forse proprio questo: un diamante sintetico, una particolare imperfezione atomica e una presa elettrica potrebbero rappresentare una delle strade verso un computer quantistico molto più semplice da utilizzare rispetto alle macchine che hanno dominato finora il settore.