Potrebbe una tecnologia specifica degli anni ’80 essere la chiave per computer quantistici migliori?

C’è molto che amo degli anni ’80, dalla nuova ondata di heavy metal britannico all’abbondante fard viola preferito dai truccatori di quell’epoca. Ma in mezzo a tutti questi capelli, rumore e glamour, c’erano alcune superstar trascurate: i circuiti superconduttori. Negli anni ’80, il colosso informatico IBM scommetteva su questa tecnologia per creare computer così efficienti da risultare rivoluzionari. Nel maggio di quell’anno, la rivista Popular Science scientifico americano Metti anche un circuito superconduttore sulla sua copertura.

Ma la rivoluzione non è mai arrivata. I chip superconduttori sembrano aver fatto la fine delle permanenti e dei pantaloni allacciati. Eppure un’azienda ha mantenuto viva la ricerca. Recentemente ho visitato il quartier generale della SEEQC e la fonderia di chip quantistici dell’azienda nello stato di New York, che è stata in parte scorporata dal programma di calcolo superconduttore di IBM. Lì ho appreso delle speranze dell’azienda che i chip superconduttori svolgano un ruolo chiave in una nuova rivoluzione tecnologica, questa volta con i computer quantistici.

All’interno dello stabilimento di produzione di SEEQC, sono circondato da grandi macchinari e tecnici che indossano tute protettive per tutto il corpo. In alcune di queste camere bianche, strati ultrasottili del niobio metallico superconduttore vengono depositati ripetutamente e con attenzione su strati di materiale dielettrico, creando una delicata struttura a sandwich. In altri, gli strumenti di litografia utilizzano la luce per scrivere circuiti complessi su queste strutture, e ogni minuscolo solco e solco diventa cruciale per i processi quantistici che li fanno funzionare. L’intero piano brulica di rumore e tutto è immerso in una luce gialla che, mi dicono, interferisce meno con il processo di produzione dei chip rispetto ad altri colori. Mentre parliamo con il CEO di SEEQC nella sala conferenze adiacente Giovanni prelievo Mi ha regalato una versione del chip superconduttore dell’azienda e sono rimasto stupito da quanto sia piccolo e quadrato per un dispositivo che punta già a trasformare l’industria del futuro.

problema che dobbiamo risolvere

I superconduttori trasmettono l’elettricità con un’efficienza perfetta, il che li rende nettamente diversi da tutti i materiali che comunemente utilizziamo per l’elettronica. Quando colleghi il telefono per caricarlo, il cavo o il caricabatterie spesso si surriscalda, riducendo l’energia necessaria per il telefono. Ciò accade a tal punto che nel 2017 gli informatici Michael Frank ha scritto“Un computer convenzionale è, essenzialmente, un costoso riscaldatore elettrico che esegue piccole quantità di calcoli come effetto collaterale.”

I computer con componenti superconduttori non avranno questo problema. Ma c’è un problema: tutti i superconduttori conosciuti devono essere mantenuti estremamente freddi o sottoposti a pressione estrema per funzionare. Ciò significa che un computer superconduttore dovrebbe sempre essere mantenuto solo pochi gradi sopra lo zero assoluto. Storicamente, questo si è rivelato troppo costoso e scomodo. IBM ha terminato i suoi sforzi di ricerca sui computer superconduttori nel 1983. I computer tradizionali che emettono calore hanno vinto e, per ironia della sorte, i costi energetici dei computer non hanno fatto altro che aumentare, arrivando alle stelle oggi in gran parte a causa del boom dell’intelligenza artificiale.

Tuttavia, alcuni decenni dopo, i superconduttori si ritrovarono di nuovo sotto i riflettori. Nel 1999, un team di ricercatori in Giappone fatto Il primo bit quantistico o qubit superconduttore, che è l’elemento fondamentale per un computer quantistico. Si trattava di una proposta fondamentalmente diversa da quella che i ricercatori avevano tentato dieci anni prima. Invece di replicare i computer di uso comune con materiali superconduttori, hanno aperto la porta a tipi di calcolo completamente nuovi, con dispositivi che elaborano le informazioni attraverso meccanismi che non esistono in nessun computer convenzionale.

Da allora l’informatica quantistica ha fatto molta strada e i qubit superconduttori hanno avuto un ruolo in questo progresso. Google e IBM li utilizzano per far funzionare alcuni dei computer quantistici più potenti oggi, e questi dispositivi hanno iniziato ad affrontare problemi scientificamente interessanti con successo incoraggiante. Le poche dimostrazioni che dimostrano la “supremazia quantistica” sui computer classici restano incontrastate, rafforzando la promessa che queste macchine sono fondamentalmente diverse da qualsiasi computer costruito in precedenza.

Allo stesso tempo, i computer quantistici non sono ancora stati all’altezza delle loro promesse dirompenti: non hanno infranto la crittografia ampiamente utilizzata, scoperto nuovi farmaci a sorpresa o rivoluzionato la chimica industriale, solo per citarne alcuni. Il percorso per realizzare qualsiasi di queste opere è irto di sfide tecniche e ostacoli ingegneristici.

Parte della risposta potrebbe risalire agli anni ’80? Levi certamente la pensa così. Dice che il suo team sta costruendo chip superconduttori digitali che potrebbero consentire ai computer quantistici di essere più grandi, più potenti e più facilmente resistenti agli errori tutto in una volta. In fondo al nostro corridoio, i ricercatori stanno testando chip in tutti i tipi di frigoriferi tubolari, poiché mi hanno detto che il loro obiettivo non è solo creare un dispositivo in più, o un componente in più, ma sostituire molti dei componenti che attualmente rendono i computer quantistici pesanti e inefficienti.

Fondamentalmente, un computer quantistico superconduttore è costituito da un chip pieno di qubit superconduttori e da un frigorifero in cui il chip deve essere posizionato per funzionare. Visto dall’esterno, puoi vedere una scatola rettangolare liscia, solitamente alta quanto una persona. Ma c’è di più. I qubit devono essere controllati e monitorati, le informazioni devono essere immesse dai computer convenzionali e anche i risultati dei loro calcoli devono essere letti da qualcuno. I qubit sono anche fragili e soggetti a errori, quindi devono eseguire algoritmi di correzione degli errori, che richiedono controlli sofisticati che monitorano e regolano più qubit contemporaneamente in tempo reale. Pertanto, i componenti non quantistici di un computer quantistico sono estremamente importanti per il suo funzionamento e occupano molto spazio e consumano molta energia. Dietro ogni frigorifero alto che contiene cubiti ci sono solitamente molti altri armadietti altrettanto alti pieni di scaffali di elettrodomestici convenzionali che sprecano energia. E ci sono innumerevoli cavi che collegano le parti quantistiche e non quantistiche del computer.

Per aggiungere più qubit, cosa necessaria per rendere il computer più potente, sono necessari ancora più cavi. “Fisicamente, non è possibile continuare a collegare i cavi per sempre”, afferma shu-jen hanDirettore tecnico del SEEQC. Non solo lo spazio all’interno del frigorifero diventa un problema, ma ogni cavo porta con sé un po’ di calore, che poi irrita i Qubit e ne rovina le prestazioni. Il modo in cui i qubit vengono combinati, controllati, cablati e confezionati può sembrare un aspetto importante della tecnologia di cui solo ingegneri ed esperti dovrebbero preoccuparsi, ma è diventato uno dei problemi che impediscono ai computer quantistici di diventare più maturi.

Il chip SEEQC che ho può risolvere molti di questi problemi.

Sembra esattamente come potresti immaginare che sia un chip di un computer: piccolo e piatto, con un rettangolo di metallo sopra un chip leggermente più grande. Levy spiega che il rettangolo più piccolo ospita i qubit superconduttori, mentre il rettangolo più grande ospita un chip informatico convenzionale realizzato con materiali superconduttori in grado di controllare digitalmente tali qubit. Poiché sono entrambi superconduttori, possono essere alloggiati nello stesso frigorifero, eliminando la necessità di gran parte delle apparecchiature a temperatura ambiente su cui fanno attualmente affidamento i computer quantistici.

Non aggiungere ulteriore calore al frigorifero è un ovvio vantaggio, ma il chip di controllo superconduttore consuma pochissima energia. SEEQC stima che ciò potrebbe consentire un miglioramento di miliardi di volte nell’efficienza energetica dei computer quantistici. Le proiezioni della Quantum Energy Initiative indicano che alcuni progetti di computer quantistici di grandi dimensioni e a prova di errore richiederanno più energia rispetto ai supercomputer convenzionali esistenti – quei computer giganti che riempiono intere stanze – e gran parte di quel consumo di energia può essere attribuito ai componenti informatici classici.

Poiché i due chip – quello quantistico che esegue il calcolo e quello classico che lo controlla – possono essere più vicini tra loro, c’è meno ritardo nella trasmissione delle istruzioni ai qubit e nel modo in cui i loro calcoli vengono letti e corretti per eventuali errori. Levy mi ha anche detto che, poiché i segnali del chip sono digitali, i qubit che lo controllano dovrebbero anche avere meno “diafonie” o interazioni involontarie che li rendono più soggetti a errori.

Nel 2025 ho parlato con David DiVincenzo, che, quasi 20 anni fa, propose sette condizioni per costruire un computer quantistico funzionante che i ricercatori stanno ancora cercando. Mi ha detto che quando immagina un computer quantistico utile e potente, si tratta di un dispositivo da un milione di qubit che potrebbe coinvolgere intere stanze piene di macchinari, più simili a impianti di collisione di particelle che a laptop o rack in un data center. Il team SEEQC sta lavorando per evitare questo fatidico destino. Per gli appassionati di computer là fuori, pensa al Mac e non all’ENIAC.

Il team SEEQC sta attualmente testando i suoi chip con diverse configurazioni e qubit creati dai propri ricercatori e da altri produttori di computer quantistici. Levy afferma che i primi test mostrano buone prestazioni su tutta la linea, dimostrando la versatilità del chip. Inoltre, tutti i test sono stati limitati a un numero limitato di qubit, in genere inferiore a 10, ovvero diversi ordini di grandezza inferiori rispetto ai futuri computer quantistici pratici di cui l’azienda spera di essere capace.

Sorgono anche problemi fisici: quando c’è un campo magnetico nelle vicinanze, i superconduttori hanno la tendenza a riempirsi di minuscoli vortici quantistici, come quelli usati per sintonizzare alcuni qubit. Oleg MukhanovIl responsabile scientifico della SEEQC mi ha parlato di un metodo inventato dall’azienda per affrontare questo problema, in cui i vortici vengono trascinati da un altro campo elettromagnetico. In breve, sono stato trasportato ai tempi della scuola di specializzazione e ho seguito lezioni sulla fisica dei superconduttori: anche le tecnologie più futuristiche non possono sfuggire ai capricci degli effetti quantistici fondamentali.

Potrebbero i circuiti superconduttori sollevarsi e rimandarmi ancora più indietro? Gli anni ’80 potrebbero essere il momento giusto per un ritorno al mondo quantistico, anche se spero che ci lasceremo alle spalle le spalline.