FISICA E

FISICA E...
SUPERCONDUTTORI COME COMPUTER
QUANTISTICI
G. Falci, R. Fazio
NEST-INFM & Dipartimento di Metodologie
Fisiche e Chimiche (DMFCI),
UniversitaÁ di Catania, viale A.Doria 6
I-95125 Catania, Italy
G. M. Palma
NEST-INFM & Dipartimento di Scienze Fisiche
ed Astronomiche, (DSFA)
UniversitaÁ di Palermo, via Archirafi 36
I-90123 Palermo, Italy
110
Information is physical. Questa idea, proposta da Landauer all'epoca dei suoi studi sul
costo termodinamico intrinseco dei processi
di calcolo (1), ha imposto un radicale cambiamento di prospettiva, riconducendo la teoria
dell'informazione ad oggetto di indagine fisica.
Ogni implementazione di procedure di calcolo
infatti puoÁ essere descritta in termini di un
processo nel quale l'informazione viene codificata in un sistema fisico la cui evoluzione temporale viene controllata in maniera programmata (2). Il tipo di operazioni logiche che
un calcolatore puoÁ compiere dipende quindi
dalle leggi fisiche che governano la sua dinamica. Questa analisi, in apparenza ovvia, porta a
risultati sorprendenti se i sistemi fisici in questione hanno dimensioni di scala atomica. In
questo caso, infatti, la dinamica del calcolatore
eÁ descritta dalle leggi della meccanica quantistica e le regole computazionali che ne conseguono differiscono in modo radicale da quelle
del calcolo classico. Ad esempio un calcolatore
quantistico puoÁ trovarsi in una sovrapposizione
di piuÁ configurazioni «classiche». Questo consente di poter utilizzare l'inerente parallelismo
dell'evoluzione quantistica coerente del computer per effettuare simultaneamente, su un
singolo pezzo di hardware, piuÁ processi di calcolo. L'idea di fondo eÁ abbastanza semplice da
descrivere: l'evoluzione coerente di un compu-
ter quantistico eÁ unitaria ed ogni programma
corrisponde ad una specifica trasformazione
che fa evolvere ogni stato di input nel desiderato stato di output. Se all'inizio del processo di
calcolo il computer si trova in una sovrapposizione coerente di tutti i suoi possibili stati di
input alla fine di tale processo esso si troveraÁ in
una sovrapposizione coerente di tutti i suoi stati
di output compatibili con l'evoluzione unitaria
programmata. Tutto questo con un singolo
«run» del computer. Ovviamente non tutta l'informazione contenuta nel computer alla fine eÁ
accessibile dal momento che una misura fa
collassare il calcolatore quantistico in un particolare stato. Tuttavia con una accorta misura eÁ
possibile estrarre ad esempio alcune informazioni globali dell'insieme degli output. Ad
esempio se l'output consiste di tutti i possibili
valori di una funzione periodica su un determinato dominio spesso noi siamo interessati a
conoscere il valore del periodo, appunto una
proprietaÁ globale della funzione, piuttosto che i
particolari valori che questa assume.
In generale eÁ stata provata l'esistenza di nuovi
algoritmi che sfruttano questo «parallelismo
quantistico» con un guadagno esponenziale
nell'efficienza di calcolo. L'esempio piuÁ noto di
algoritmo quantistico con queste caratteristiche
eÁ quello scoperto da Shor (3). Esso consente di
risolvere il problema della fattorizzazione di un
numero in un tempo che eÁ funzione polinomiale
della lunghezza dell'input. Su un calcolatore
classico il tempo di calcolo cresce esponenzialmente rendendo il problema intrattabile.
Un calcolatore quantistico puoÁ essere descritto in temini di qubit (quantum bit) e
quantum gate (porte logiche). Un qubit eÁ l'unitaÁ
di informazione che viene codificata su un
sistema a due livelli j0i; j1i. A differenza di un
bit classico, che puoÁ assumere solamente i valori 0 o 1, un qubit puoÁ trovarsi in una sovrapposizione coerente degli stati j0i; j1i. I gate
corrispondono a specifiche trasformazioni uni-
G. FALCI, R. FAZIO
tarie controllate dei qubit, ottenute controllando l'evoluzione quantistica del sistema,
Tale evoluzione dinamica pioÁ essere controllata ad esempio modulando opportunamente le
costanti di accoppiamento dell'Hamiltoniana
del sistema. Un'altra tecnica possibile consiste
nell'applicazione di opportuni impulsi con frequenza risonante con la separazione tra i due
livelli del qubit. In questo modo eÁ possibile, ad
esempio, realizzare un'operazione di NOT
…1†
j0i !j1i,
j1i !j0i,
o una trasformazione di Hadamard
…2†
1
j0i ! p …j0i ‡ j1i†,
2
1
j1i ! p …j0i j1i :
2
Le operazioni a singolo bit, di cui abbiamo dato
due esempi, non permettono da sole di realizzare un processo di calcolo quantistico.
L'implementazione di un qualsiasi algoritmo
quantistico richiede anche l'impiego di operazioni che coinvolgono piuÁ qubit, quindi eÁ necessario controllare sia la dinamica di singolo
qubit che il mutuo accoppiamento tra qubit. Il
controllo dei mutui accoppiamenti su larga
scala sarebbe un requisito proibitivo. Fortunatamente per operare computazioni quantistiche
eÁ sufficiente accoppiare i qubit a due a due, in
altre parole eÁ necessario realizzare al piuÁ gate a
due qubit. Un esempio importante di gate a due
qubit eÁ l'operazione di Control-NOT
…3†
j00i
j01i
j10i
j11i
!j00i,
!j01i,
!j11i,
!j10i:
L'implementazione di un calcolatore quantistico richiede tecnologie con requisiti molto
stringenti. Anzitutto il sistema fisico deve essere composto da un insieme di sottosistemi,
ognuno dei quali puoÁ essere preparato inizialmente in uno stato ben preciso. Inoltre la
dinamica coerente di ogni sottosistema, cosõÁ
come il loro mutuo accoppiamento, deve essere
modulabile dall'esterno. Deve essere possibile
misurare esattamente lo stato finale dell'intero
sistema. Infine la procedura di calcolo deve
avere luogo in assenza di processi di decoerenza indotti dall'accoppiamento con l'ambiente circostante.
E
G.M. PALMA: SUPERCONDUTTORI COME COMPUTER QUANTISTICI
Nei primi tentativi di realizzare sperimentalmente un dispositivo di calcolo quantistico
l'attenzione eÁ stata rivolta principalmente verso
lo studio di atomi freddi in cavitaÁ, ioni intrappolati, o la risonanza magnetica nucleare.
In questi sistemi eÁ possibile controllare la dinamica con la precisione richiesta per poter
eseguire delle operazioni di calcolo. Estremamente importanti nel dimostrare le idee della
computazione quantistica, questi sistemi sono
difficili da integrare e la loro scalabilitaÁ eÁ assai
problematica. Una naturale soluzione a questi
problemi eÁ fornita dai sistemi a stato solido. In
questo ambito sono state avanzate varie proposte di implementazione sia mediante semiconduttori (quantum dot ed impurezze di P in
silicio) (4) che mediante superconduttori.
I computer basati su i nanocircuiti superconduttivi (5), argomento del presente articolo,
hanno una caratteristica molto promettenti.
Essi offrono la possibilitaÁ di combinare in maniera semplice, ed allo stesso tempo efficace, i
vantaggi della coerenza macroscopica della fase
superconduttiva e la tecnologia avanzata delle
tecniche di nanofabbricazione. GiaÁ a distanza di
tre anni dalla prima proposta si ha una buona
comprensione teorica dei principi di funzionamento dei qubit di Josephson (preparazione
dello stato iniziale, dinamica controllata, bassa
decoerenza, misura dello stato di uscita). CioÁ
che eÁ forse ancora piuÁ entusiasmante eÁ l'avanzamento dello stato dell'arte nell'indagine
sperimentali. Ad oggi esistono giaÁ vari esperimenti che dimostrano che i nanocircuiti superconduttori si comportano come oggetti quantistici, e che eÁ possibile modularne la dinamica in
maniera programmata.
Le proposte di implementare computer quantistici mediante nanocircuiti superconduttivi si
dividono essenzialmente in due categorie, a secondo della variabile fisica usata per codificare
l'informazione. Nel qubit di carica (6-8) la variabile eÁ il numero di coppie di Cooper in eccesso presenti in una isola superconduttiva, nel
qubit di flusso (9, 10) l'informazione eÁ codificata
nel senso (orario o antiorario) della corrente
circolante in un piccolo anello superconduttore.
Il qubit di carica, nella versione proposta dal
gruppo di Karlsruhe, eÁ mostrato schematicamente in fig. 1. Il componente di base eÁ la Cooper Pair Box (CPB) (11), costituita da un'isola
superconduttiva connessa ad un generatore di
tensione tramite un condensatore e una giunzione Josephson (12). Un'immagine SEM di que-
111
IL NUOVO SAGGIATORE
Fig. 1. ± Schema del qubit di carica nella versione
proposta dal grupo di Karlsruhe. Il numero di coppie di
Cooper nell'isola puoÁ variare tramite la giunzione Josephson, ed eÁ regolato dalla tenzione V di polarizzazione. L'accoppiamento Josephson puoÁ essere viariato
sostituendo la giunzione con uno SQUID.
112
sto dispositivo eÁ mostrata in fig. 2. Cambiando la
tensione di polarizzazione, attraverso la giunzione Josephson il numero di Coppie di Cooper
sull'isola viene fissato in maniera tale da minimizzare l'energia elettrostatica del sistema. Due
ingredienti sono cruciali per l'implementazione
della CPB come qubit:
± Se l'energia elettrostatica eÁ molto piuÁ grande dell'energia di accoppiamento Josephson e
della temperatura eÁ possibile controllare con
precisione l'ingresso di una singola coppia di
Cooper.
Fig. 2. ± Figura SEM di una Cooper pair box (il qubit)
accoppiata in maniera capacitiva ad un SET transistor.
Il SET transistor eÁ un dispositivo costituito da un'isola
accoppiata tramite giunzioni tunnel a due elettrodi. La
corrente attraverso il dispositivo eÁ fortemente dipendente dalla tensione di polarizzazione applicata
all'isola. In questo modo un accoppiamento capacitivo
tra il SET transistor e la CPB permette di leggere lo
stato di carica dell'isola (foto ottenuta da J. Toppari).
± Il tunneling di coppie di Cooper, in altre parole l'effetto Josephson, eÁ un fenomeno coerente.
Scegliendo una particolare polarizzazione, la
dinamica eÁ limitata a due possibili stati di carica
dell'isola, ad esempio gli stati in cui l'isola eÁ
neutra o ha una coppia in eccesso. Questi stati,
che denotiamo j0i, j1i, sono usati per la computazione. L'evoluzione del sistema eÁ governata
dalla Hamiltoniana di un sistema a due livelli
quantistico
Ech
Hˆ
j0ih0j j1ih1j
2
…10†
EJ
j0ih1j ‡ j1ih0j :
2
Il primo termine dell'Hamiltoniana descrive la
differenza di energia quando il sistema si trova
in uno dei due stati di carica (j0i, j1i). Il secondo
termine invece descrive il tunneling di Josephson, nel sottospazio computazionale esso eÁ
descritto da un operatore che aumenta j1ih0j o
diminuisce j0ih1j la carica sull'isola. In eq.(10)
Ech eÁ la differenza di energia elettrostatica dei
due stati di carica e EJ eÁ l'accoppiamento Josephson, che tende a creare sovrapposizioni di
stati di carica. EÁ possibile modulare sia l'energia
Ech , sia l'accoppiamento Josephson EJ , e
quindi determinare la dinamica quantistica del
sistema. Il controllo di Ech eÁ ottenuto variando
la tensione di polarizzazione, mentre la modulazione dell'accoppiamento Josephson puoÁ essere realizzata sostituendo ogni giunzione con
uno SQUID (9) ed operando con un campo magnetico esterno. Partendo da un dato stato iniziale e modulando opportunamente le costanti
di accoppiamento dell'Hamiltoniana eÁ possibile
realizzare le porte logiche a singolo bit descritte
precedentemente.
Come ricordato in precendenza, un requisito
essenziale per ogni implementazione fisica di un
computer quantistico (questo problema eÁ particolarmente delicato per le implementazioni a
stato solido) eÁ la sua affidabilitaÁ in presenza di
fenomeni di decoerenza. Ci riferiamo cioeÁ alla
possibilitaÁ che il calcolatore possa eseguire un
certo numero di operazioni prima che l'interazione con l'ambiente circostante deteriori l'evoluzione coerente. La coerenza quantistica del
superconduttore permette di rendere questi dispositivi resistenti a fenomeni di decoerenza
«interni», in quanto la moltitudine di gradi di
libertaÁ che descrivono microscopicamente
G. FALCI, R. FAZIO
un'isola metallica eÁ congelata, in virtuÁ della condensazione superconduttiva. L'effetto Josephson eÁ invece determinante nel mantenere la
coerenza quantistica tra gli stati a differente
carica. Nel caso di un qubit di carica le principali cause di decoerenza sono dovute all'accoppiamento con il circuito elettrico circostante, il tunneling di quasi-particelle e la presenza di cariche fluttuanti nel substrato. Un'
analisi dettagliata dei primi due processi di decoerenza (5) porta a concludere che eÁ possibile
eseguire, usando la tecnologia disponibile al
momento (e con ampi margini di miglioramento), fino 103 operazioni a singolo bit e
102 operazioni a due bit. La presenza di cariche
bistabili presenti nel substrato sembra essere il
meccanismo piuÁ efficace nel distruggere la
coerenza per il qubit di carica. Attualmente
questo problema eÁ analizzato in grande dettaglio
sia da un punto di vista teorico che sperimentale
al fine di ottenere delle stime realistiche dei
tempi di decoerenza.
Dalle considerazioni fatte eÁ evidente che la
dinamica del qubit di carica eÁ identica a quella
di un sistema quantistico a due livelli o equivalentemente a quella di uno spin in un campo
magnetico esterno. Una serie di importanti
esperimenti ha permesso, tra l'altro, di verificare questa analogia. La prima dimostrazione di
stati del Cooper pair box che originano dalla
sovrapposizione coerente dei due stati di carica
eÁ stata ottenuta dal gruppo di Saclay (10). In
questo esperimento Bouchiat e collaboratori
hanno misurato il valore di aspettazione della
carica nell'isola in funzione della tensione di
polarizzazione. All'aumentare della tensione la
carica sull'isola cresce con una tipica forma a
gradini arrotondati a causa della sovrapposizione di stati con carica differente. Bouchiat e
collaboratori sono stati in grado di dimostrare
che l'arrotondamento, a temperature sufficientemente basse diventa indipendente dalla
temperatura stessa ed eÁ legato solamente al
valore dell'accoppiamento Josephson. La misura della carica del CPB eÁ stata eseguita accoppiando capacitivamente la Box ad un SET-transistor (13) (l'acronimo SET si riferisce a Single
Electron Tunneling) come mostrato in fig. 2.
Uno degli esperimenti piuÁ spettacolari eÁ stato
quello condotto da Nakamura e collaboratori (14), che hanno misurato le oscillazioni coerenti tra i due stati di carica di un nanodispositivo Josephson. Il dispositivo usato eÁ
sempre una CPB opportunamente modificata
E
G.M. PALMA: SUPERCONDUTTORI COME COMPUTER QUANTISTICI
per permettere di misurare una corente elettrica
quando nell'isola eÁ presente una coppia di
Cooper in eccesso. Nell'esperimento il sistema
viene preparato nel suo stato fondamentale (di
carica), diciamo lo stato j0i. Mediante un impulso a gradino nel potenziale di polarizzazione
il sistema viene portato alla degenerazione di
carica (Ech ˆ 0) dove riamane per un tempo
t. In questo intervallo di tempo il sistema
evolve nel tempo con legge (vedi eq.(4))
…5†
j …t†i ˆ cos…EJ t=
h† j0i ‡ i sin…EJ t=h† j1i :
Dopo un tempo t il sistema viene riportato di
nuovo lontano dalla degenerazione e viene misurato lo stato di carica. La probabilitaÁ che a
questo punto si osservi la presenza di una carica
in eccesso pari a 2e eÁ una funzione oscillante del
tempo t, data da
2 EJ t
P…2e† ˆ sin
:
h
Nell'esperimento l'altezza dell'impulso era fissata e la procedura eÁ stata ripetuta al variare
anche della tensione di polarizzazione iniziale.
In questo modo eÁ stato possibile analizzare la
P…2e† in funzione di t e della tensione di polarizzazione. In fig. 3 sono mostrati i risultati della
misura confrontati con il semplice calcolo della
probabilitaÁ ottenuto con il sistema a due livelli
definito in eq. (4). In una serie di successivi
esperimenti, condotti sempre da Nakamura, eÁ
stato possibile osservare circa un centinaio di
oscillazioni coerenti e di conseguenza porre un
limite inferiore al tempo di decoerenza. Da una
analisi dettagliata delle misure eÁ emerso che in
questi esperimenti il tempo di decoerenza era
essenzialmente determinato dall'apparato di
misura. Ci si aspetta quindi che processi di misura meno invasivi permettano di aumentare i
tempi di calcolo.
Tra i requisiti fondamentali di ogni proposta
di implementazione, c'eÁ la possibilitaÁ di progettare operazioni a due qubit. Pur non addentrandoci nella descrizione di come cioÁ puoÁ essere realizzato, ci sembra interessante sottolineare che i nanocircuiti superconduttivi mostrano notevole flessibilitaÁ anche su questo
punto. L'accoppiamento puoÁ essere realizzato
attraverso condensatori, induttanze e/o giunzioni Josephson. Il gruppo di Karlsruhe (6) ha
proposto di accoppiare i due qubit tramite un
induttanza. Il termine di interazione risultante
…1† …2†
ha la forma HC ˆ EL y y , dove EL eÁ la costante di accoppiamento e y la matrice di Pauli.
113
IL NUOVO SAGGIATORE
114
Fig. 3. ± Grafico dello stato di carica in funzione del
tempo t e della tensione di polarizzazione ottenuto
nell'esperimento di Nakamura e collaboratori. La figura in alto mostra i dati sperimentali mentre quella in
basso mostra i risultati per la P(2e) ottenuti tramite il
modello a due livelli discusso nel testo. (Riprodotta
per gentile concessione di Nature, 398 (1999) 786,
Ó 1999, Macmillan Magazines Ltd.)
Questo tipo di accoppiamento eÁ molto vicino
all'idea sviluppata nell'implementazione con
ioni in trappola, cioeÁ quella di mediare l'interazione tra i qubit attraverso lo scambio di fononi.
In questo caso i modi coinvolti sono quelli associati alla parte LC del circuito. Uno schema
differente eÁ stato proposto da Averin (7) che ha
enfatizzato la necessitaÁ di controllare il sistema
attraverso un evoluzione adiabatica, al fine di
evitare delle transizioni non volute a stati di
carica a piuÁ alta energia (fuori dal sottospazio
computazionale). L'accoppiamento proposto da
Averin eÁ di tipo capacitivo ed ha la forma
…1† …2†
HC ˆ EC z z . Nella proposta di Averin il
qubit ha una struttura interna piuÁ complicata
essendo implementato mediante un reticolo li-
neare di giunzioni Josephson. Le varie operazioni si realizzano variando la posizione della
carica in eccesso nella catena.
Il calcolo quantistico, per come descritto sopra, si basa sul controllo della dinamica temporale della Hamiltoniana del qubit di carica.
Recentemente eÁ stato mostrato che eÁ possibile
utilizzare per la computazione l'interferometria
di tipo geometrico, basata sul controllo delle
fasi di Berry (15-17). Gli autori, in collaborazione
con J. Siewert e V. Vedral, (8) hanno proposto un
esperimento per la misura della fase di Berry in
nanocircuiti superconduttivi. Il dispositivo proposto eÁ costituito da una CPB in cui la giunzione
Josephson viene sostituita da un SQUID asimmetrico (con differenti accoppiamenti Josephson). Nello stesso lavoro eÁ stato inoltre
mostrato come un accoppiamento capacitivo tra
due qubit permetta di realizzare operazioni a
singolo qbit ed a due qbit basate sull'interferometria di tipo geometrico.
Il qubit di flusso (9, 10) funziona in maniera
complementare a quello di carica. Esso opera in
un regime in cui l'accoppiamento Josephson eÁ
molto maggiore dell'energia elettrostatica. Il
prototipo eÁ un RF-SQUID (12), un piccolo anello
superconduttore interrotto da una giunzione
Josephson. In questo caso l'Hamiltoniana del
sistema eÁ
… x †2 Q2
…6† H ˆ EJ cos 2
‡
;
‡
2L
2C
0
dove L eÁ l'autoinduttanza dell'anello. La differenza di fase alla giunzione eÁ legata al flusso
concatenato con il circuito dalla relazione
ˆ 2=0 (il quanto di flusso eÁ 0 ˆ hc=2e). Il
flusso esterno eÁ invece denotato con x . La carica Q eÁ canonicamente coniugata con il flusso.
Per valori opportuni dell'autoinduttanza, i primi
due termini dell'Hamiltoniana in eq. (6) formano
un potenziale a doppia buca centrato attorno a
ˆ 0 =2. Anche in questo caso il problema puoÁ
essere ricondotto alla dinamica di un opportuno
sistema a due livelli (18). Il termine diagonale
misura l'asimmetria della doppia buca mentre i
termini non diagonali sono associati all'ampiezza di tunneling tra le buche. Anche in
questo caso la temperatura deve essere tipicamente qualche decina di mK, allo scopo di garantire l'evoluzione coerente. Al fine di ottimizzare le prestazioni del dispositivo eÁ stato
necessario sviluppare dei circuiti piuÁ sofisticati.
La proposta sviluppata da Mooij e collaboratori
nei laboratori dell'UniversitaÁ di Delft eÁ mostrata
G. FALCI, R. FAZIO
Fig. 4. ± Una immagine SEM del dispositivo proposto
da Mooij e collaboratori per l'implementazione del
qubit di flusso. Esso eÁ costituito da un anello superconduttivo interrotto da tre giunzioni Josephson
[http://vortex.tn.tudelft.nl/junctions/].
in fig. 4. Il dispositivo eÁ costituito da un piccolo
anello superconduttivo interrotto da tre giunzioni Josephson. Scegliendo in maniera opportuna il flusso del campo magnetico esterno
(approssimativamente uguale a metaÁ del quanto
di flusso), gli stati a piuÁ bassa energia dell'anello
sono determinati da una corrente persistente
(non dissipativa) che puoÁ fluire in senso orario o
in senso antiorario. Il tunneling quantistico tra
questi due stati ``di flusso'' eÁ determinato dalla
presenza di una non trascurabile energia elettrostatica, dovuta alle dimensioni nanometriche
delle giunzioni Josephson. Nella proposta di
Mooij e collaboratori, i qubit sono connessi
tramite trasformatori di flusso, che creano un
accoppiamento di tipo induttivo. In linea di
principio eÁ possibile generare, in questo modo,
un accoppiamento selettivo tra ogni data coppia
di qubit costituente il sistema. Nel caso dei qu-
Fig. 5. ± Un'immagine SEM di un ensenble of qubit di
flusso. Nel campione mostrato in figura sono stati
realizzati circa 7000 qubit [http://vortex.tn.tudelft.nl/
junctions/].
E
G.M. PALMA: SUPERCONDUTTORI COME COMPUTER QUANTISTICI
bit di flusso eÁ giaÁ possibile realizzare circuiti a
qubit accoppiati. In fig. 5 ne mostriamo un
esempio realizzato dal gruppo di Delft.
Anche per i qubit di flusso sono stati giaÁ realizzati degli esperimenti decisivi nel confermare
che il loro comportamento eÁ analogo a quello di
un sistema a due livelli. Al momento sia il
gruppo di Stony Brook (Friedman e collaboratori (19) che il gruppo di Delft (Van der Wal e
collaboratori (20)]) hanno dimostrato la sovrapposizione lineare dei due stati di flusso. Ricordiamo che uno stato corrisponde al momento magnetico di una corrente di qualche A
che fluisce in senso orario/antiorario nell'anello.
Manca ancora una verifica sperimentale diretta
delle oscillazioni coerenti tra questi stati. L'osservazioni di queste oscillazioni dimostrerebbe
l'esistenza della cosiddetta coerenza quantistica
macroscopica. L'aggettivo macroscopico eÁ opportuno in quanto le correnti che circolano
coerentemente nei due stati sono realizzate attraverso il moto di milioni di elettroni nell'anello
superconduttore. Stime dei tempi di decoerenza
per i qubit di flusso indicano che, almeno in linea di principio, eÁ possibile realizzare un numero operazioni sufficiente per una computazione fault tolerant. I meccanismi di decoerenza
importanti sono diversi da quelli che abbiamo
descritto per i qubit di carica. Mentre le cariche
intrappolate nel substrato non giocano alcun
ruolo, sono molto piuÁ importanti le fluttuazioni
del campo magnetico che penetra gli anelli, ed
eventualmente l'accoppiamento con gli spin
nucleari. C'eÁ un certo consenso nel ritenere che
i qubit di flusso siano in generale piuÁ resistenti
alla decoerenza rispetto ai qubit di carica.
Le potenzialitaÁ che stanno emergendo nell'applicazione della Meccanica Quantistica alla
scienza dell'Informazione non sono confinate
semplicemente al calcolo. In ottica quantistica
negli ultimi anni sono stati fatti dei progressi
enormi nell'ambito della comunicazione quantistica. EÁ sicuramente una sfida affascinante per il
prossimo futuro quella di poter riuscire ad interfacciare dei dispositivi ottici con circuiti a stato
solido. Un aspetto altrettanto importante legato a
questa attivitaÁ di ricerca eÁ la possibilitaÁ di studiare, oltre a problemi direttamente legati a nuove
tecnologie, anche questioni fondamentali della
fisica di base. Come abbiamo cercato di illustrare
in questa breve rassegna, imparare a controllare
la dinamica quantistica di nanocircuiti superconduttivi significa anche poter studiare la
dinamica quantistica di oggetti macroscopici.
115
IL NUOVO SAGGIATORE
116
Una ricerca efficace sugli argomenti descritti
in questa breve presentazione richiede la sinergia tra varie competenze sia nell'ambito della
fisica (teorica e sperimentale) che della teoria
dell'informazione. Negli ultimi anni c'eÁ stato un
incremento impressionante di risorse umane e
finanziarie impegnate in questa direzione, che
vede coinvolte tutte la piuÁ grandi agenzie di finaziamento della ricerca. Anche il mondo dell'industria e della finanza guardano con grande
interesse a queste tematiche e finanziano gruppi
di ricerca e collaborazioni con il mondo accademico. La ComunitaÁ Europea ha inserito il
campo delle tecnologie emergenti nell'informazione nel piano strategico di sviluppo. In Italia lo
Institute for Scientific Interchange (ISI) e l'Istituto Nazionale per la Fisica della Materia
(INFM) hanno un ruolo decisivo nell'organizzazione e supporto di questa ricerca, attraverso
il finaziamento progetti, reti e centri di ricerca.
Uno dei progetti di ricerca avanzati (PRA) dell'INFM riguarda proprio le implementazioni a
stato solido dei computer quantistici. Ad esso
partecipano, oltre agli scriventi che operano
presso le UniversitaÁ di Catania e Palermo, i
gruppi di Torino dei Proff. M. Rasetti e F. Rossi,
di Lecce del Prof. R. Cingolani e della Dr. R.
Rinaldi, di Modena della Prof. E. Molinari, di
Roma del Prof. C. Cosmelli e di Napoli del Dr. P.
Silvestrini. Ricordiamo infine che uno dei tre
nuovi Centri di Ricerca e Sviluppo dell'INFM, il
NEST-INFM di Pisa, diretto dal Prof. F. Beltram,
avraÁ tra le sue linee strategiche lo sviluppo di
implementazioni a stato solido di computer
quantistici.
Ringraziamenti. Vogliamo ringraziare L.
Faoro, E. Paladino, F. Plastina, J. Siewert e V.
Vedral con cui abbiamo collaborato su vari
aspetti dell'implementazione di nanocircuiti
superconduttivi per il calcolo quantistico. Numerose discussioni con Y. Makhlin, M. Rasetti,
G SchoÈn, ci hanno aiutato a chiarire le idee in
questo campo. Questo nostro lavoro di ricerca
eÁ stato finanziato dall' Istituto Nazionale di
Fisica della Materia (Progetto PRA-SSQI) e
dalla Unione Europea (Progetto IST-FETSQUBIT).
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Per una rassegna sulle proposte di calcolo quantistico
con i semiconduttori si puoÁ consultare l'articolo di D.P.
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