Il Computer Quantistico a temperatura ambiente? Un polimero potrebbe renderlo realtà

Per decenni, la fragilità degli stati quantistici è stata la più grande barriera alla loro applicazione pratica, un po’ come cercare di costruire un castello di sabbia durante una mareggiata. Questi stati, fondamentali per il calcolo quantistico, svaniscono con estrema rapidità a meno che non vengano “congelati” vicino allo zero assoluto o intrappolati in cristalli purissimi come il diamante.

Questa dipendenza dal freddo estremo ha reso le tecnologie quantistiche un’impresa costosa, ingombrante e, francamente, poco pratica per il mondo reale.

Ora, però, un team di ricercatori del Georgia Institute of Technology e dell’Università dell’Alabama sembra aver trovato una via d’uscita, affidandosi non alla fisica estrema, ma all’ingegneria chimica. Hanno sviluppato un nuovo tipo di polimero, una sorta di materiale plastico, capace di mantenere e manipolare stati quantistici in forma solida e, soprattutto, a temperatura ambiente. Un risultato che potrebbe davvero cambiare le regole del gioco.

La chimica al posto della fisica estrema

Invece di affidarsi a materiali rigidi e cristallini, i ricercatori hanno progettato un polimero coniugato: una lunga catena molecolare composta da blocchi costruttivi che si alternano e sono in grado di condurre elettroni. La vera genialità, però, sta nella sua struttura tridimensionale.

Esempi di polimeri coniugati conduttivi

La progettazione si basa su alcuni punti chiave:

• Unità Donor-Acceptor: La catena è formata da un’unità “donatrice” (basata su un composto organico chiamato ditienosilolo) e una “accettrice” (tiadiazolochinossalina). Questa alternanza crea le condizioni ideali per la mobilità degli spin degli elettroni.
• La “Torsione” Strategica: Al centro dell’unità donatrice è stato inserito un atomo di silicio. Questo elemento induce una leggera ma fondamentale torsione nella catena polimerica. Perché è così importante? Impedisce alle catene di impilarsi in modo troppo compatto, un fenomeno che normalmente causerebbe interazioni distruttive tra gli spin, annullando i delicati stati quantistici. La torsione mantiene le catene abbastanza vicine da comunicare, ma abbastanza lontane da non “disturbarsi” a vicenda.
• Processabilità: Lunghe catene laterali di idrocarburi sono state aggiunte per rendere il materiale lavorabile, impedendo alle molecole di aggregarsi e garantendo che possa essere disciolto e trasformato in film sottili.

Il risultato è un sistema che si stabilizza in uno stato di “alto spin“, con due elettroni spaiati allineati nella stessa direzione, una configurazione molto simile a quella utilizzata nei qubit a stato solido.

Dalla teoria alla pratica: le prove sperimentali

Le simulazioni teoriche sono una cosa, ma la prova del nove arriva sempre dal laboratorio. I ricercatori hanno sottoposto il loro polimero a una serie di test rigorosi.

Prima, la spettroscopia di risonanza paramagnetica elettronica (EPR), che potremmo descrivere come una sorta di “risonanza magnetica per elettroni”, ha confermato la presenza di segnali stretti e simmetrici: un ottimo indizio che gli spin si comportano in modo ordinato e coerente.

Poi sono arrivate le misurazioni cruciali dei tempi di coerenza, ovvero per quanto tempo lo stato quantistico riesce a sopravvivere. I risultati sono notevoli, soprattutto perché ottenuti su un materiale solido e non isolato in matrici speciali.

Questi valori a temperatura ambiente sono già superiori a quelli di molti altri sistemi molecolari. La vera svolta è stata la dimostrazione delle oscillazioni di Rabi: applicando impulsi a microonde, il team è riuscito a manipolare e “capovolgere” in modo controllato gli stati di spin. In pratica, hanno eseguito le operazioni di base necessarie per il calcolo quantistico.

Un passo avanti per applicazioni quantistiche pratiche

Questa scoperta è significativa perché sposta il paradigma: i materiali quantistici non devono essere per forza cristalli fragili intrappolati in camere criogeniche. Possono essere polimeri flessibili, sintonizzabili e lavorabili. Come notano gli autori dello studio, pubblicato sulla prestigiosa rivista Advanced Materials, questo lavoro “dimostra un approccio fondamentalmente nuovo verso qubit organici ad alto spin, praticamente applicabili, che consentono un controllo coerente allo stato solido“.

Certo, la strada è ancora lunga. Il tempo di memoria di fase a temperatura ambiente è ancora troppo breve per un computer quantistico su larga scala. Tuttavia, questo polimero è già un candidato ideale per applicazioni più immediate:

• Sensori quantistici operativi in condizioni normali.
• Dispositivi a film sottile che integrano elettronica classica e capacità quantistiche.
• Piattaforme scalabili per la spintronica e l’esplorazione di nuovi paradigmi di calcolo.

Il computer quantistico sulla nostra scrivania non è dietro l’angolo, ma questa innovazione lo tira fuori dai laboratori siberiani e lo porta un passo, significativo, più vicino al mondo reale.

computer quantistico a freddo estremo

Domande e Risposte per il Lettore

1. Qual è la vera innovazione di questo polimero rispetto ai materiali precedenti? La vera svolta sta nel combinare tre caratteristiche finora quasi impossibili da ottenere insieme. Primo, mantiene la coerenza quantistica a temperatura ambiente, eliminando la necessità di costosi e ingombranti sistemi di raffreddamento criogenico. Secondo, lo fa allo stato solido e processabile, il che significa che può essere trasformato in dispositivi reali come film sottili, a differenza di molti sistemi molecolari che funzionano solo in soluzioni congelate. Terzo, il suo stato quantistico è manipolabile con precisione, come dimostrato dalle oscillazioni di Rabi, rendendolo un materiale attivo e non solo passivo.

2. Significa che avremo presto un computer quantistico sulla scrivania? No, non ancora. Sebbene sia un passo avanti enorme, i tempi di coerenza a temperatura ambiente (0,3 microsecondi) sono ancora troppo brevi per i calcoli complessi richiesti da un computer quantistico universale, che necessiterebbe di tempi molto più lunghi per eseguire algoritmi utili. Tuttavia, questa tecnologia è estremamente promettente per applicazioni a breve termine come sensori quantistici ultra-sensibili (per la medicina o l’industria) e per lo sviluppo di componenti ibridi che uniscano l’elettronica classica con funzioni quantistiche, aprendo la strada a una nuova generazione di dispositivi.

3. Cos’è esattamente la “coerenza quantistica” e perché è così difficile da mantenere? La coerenza quantistica è la capacità di un sistema, come lo spin di un elettrone, di mantenere uno stato quantistico definito e predicibile nel tempo (ad esempio, una sovrapposizione di “su” e “giù”). È uno stato di ordine e sincronia a livello subatomico. Questa condizione è incredibilmente fragile perché qualsiasi interazione con l’ambiente esterno – una vibrazione, un’onda elettromagnetica, il calore – può “disturbare” il sistema, facendogli perdere le sue proprietà quantistiche. Questo processo è chiamato decoerenza. Il calore a temperatura ambiente non è altro che un’intensa vibrazione atomica, motivo per cui mantenere la coerenza fuori da un ambiente ultra-freddo e isolato è una delle sfide più grandi della fisica moderna.