Nanocluster d’Oro: i “Super Atomi” pronti a rivoluzionare i Computer Quantistici

Dimenticate per un attimo le riserve auree delle banche centrali o l’oro come bene rifugio contro l’inflazione. C’è un altro ambito, decisamente più futuristico, dove il metallo giallo sta per diventare protagonista indiscusso: la computazione quantistica.

Un team di ricercatori della Penn State e della Colorado State ha appena dimostrato che i “nanocluster” d’oro possono comportarsi come atomi in sistemi quantistici di alto livello, risolvendo però il problema che tiene svegli i fisici da anni: la scalabilità. Se fino ad oggi costruire un computer quantistico stabile è stato come cercare di costruire un castello di carte in una galleria del vento, questi “super atomi” potrebbero essere il mattone solido che mancava alla costruzione.

Il dilemma quantistico: Precisione vs Scalabilità

Per capire la portata della scoperta, bisogna guardare a come funzionano oggi i sistemi quantistici più avanzati. Questi si basano spesso sul comportamento degli elettroni (in particolare il loro “spin”) all’interno di atomi intrappolati in un gas.

• Il vantaggio: Questi sistemi gassosi offrono una precisione eccezionale.
• Il problema: Sono intrinsecamente “diluiti”. Scalarli per creare dispositivi più grandi e potenti è un incubo ingegneristico.
• L’alternativa solida: I materiali solidi sono facili da scalare (basta impacchettare gli atomi), ma l’ambiente circostante crea interferenze che “mescolano” le informazioni, aumentando drasticamente il tasso di errore.

È qui che entra in gioco l’oro. Ken Knappenberger, della Penn State, ha guidato un team che ha scoperto come i cluster d’oro possano imitare le proprietà dei gas intrappolati, ma in un formato solido e manipolabile.

I “Super Atomi” e la magia dei Leganti

Questi cluster non sono semplici pepite microscopiche. Sono definiti “super atomi” perché il loro nucleo d’oro è circondato da molecole chiamate leganti. La scoperta fondamentale risiede nel fatto che, manipolando chimicamente questi leganti, si possono controllare le proprietà di spin degli elettroni con una precisione chirurgica.

Ecco le caratteristiche chiave emerse dallo studio:

1. Imitazione perfetta: I cluster d’oro mostrano 19 stati di spin polarizzati unici, imitando le sovrapposizioni quantistiche (superposition) tipiche degli ioni gassosi. 19 stati sono molto più dei due (si e no) dei computer tradizionali.
2. Tunabilità: Modificando il legante, i ricercatori hanno portato la polarizzazione dello spin dal 7% a quasi il 40%. Un risultato paragonabile ai migliori materiali quantistici bidimensionali attuali.
3. Resistenza: Avere un’alta polarizzazione di spin significa che gli elettroni rimangono “correlati” (sincronizzati) più a lungo, garantendo la precisione del calcolo nel tempo.

Un cambio di paradigma: dalla Fisica alla Chimica

C’è un aspetto quasi ironico in questa ricerca. Il campo quantistico è stato tradizionalmente un feudo di fisici e scienziati dei materiali. Questa scoperta apre le porte ai chimici.

Come sottolineato dallo stesso Knappenberger, la capacità di sintetizzare questi cluster in grandi quantità e di “progettare” il materiale modificando i leganti significa che non siamo più costretti ad accettare le proprietà fisse di un materiale. Possiamo crearne di nuovi, su misura. È l’approccio keynesiano applicato alla materia: non aspettiamo che il mercato (o la natura) ci dia la soluzione, interveniamo per stimolare il risultato desiderato.

Di seguito, un confronto rapido tra le tecnologie attuali e la nuova proposta:

In sintesi, l’oro potrebbe non servire solo a garantire la stabilità monetaria, ma a garantire la stabilità dei dati nel futuro dell’informatica. Una “Gold Standard” 2.0, se vogliamo, che, tra l’altro , darebbe un altro importante uso industriale al prezioso metallo.

Come viene visto dalla AI un chip quantistico

Domande e risposte

Cosa sono esattamente i “leganti” e perché sono importanti?

I leganti sono molecole che circondano il nucleo d’oro del nanocluster, agendo come una sorta di guscio protettivo e funzionale. La loro importanza è cruciale perché vibrano e interagiscono con gli elettroni del nucleo. Modificando chimicamente questi leganti, gli scienziati possono “accordare” (come si fa con uno strumento musicale) le proprietà di spin del cluster, aumentandone la polarizzazione e l’efficienza per i calcoli quantistici. Senza i leganti giusti, l’oro sarebbe solo un metallo inerte.

Perché questa scoperta rende i computer quantistici più “scalabili”?

I metodi attuali più precisi usano atomi in stato gassoso, che devono essere tenuti distanti e isolati nel vuoto, rendendo difficile costruire sistemi complessi con molti “qubit”. I nanocluster d’oro, invece, sono materiali condensati (solidi) che possono essere sintetizzati chimicamente in grandi quantità. Questo permette di impacchettare molte unità di calcolo in spazi ridotti senza perdere le proprietà quantistiche necessarie, superando il problema dell’interferenza ambientale che solitamente affligge i materiali solidi.

Questa tecnologia è già pronta per il mercato?

No, siamo ancora in una fase che potremmo definire “proof-of-concept” (prova di concetto). Sebbene i risultati siano promettenti e dimostrino che i cluster d’oro possiedono le proprietà fondamentali necessarie (come la polarizzazione di spin e gli stati di Rydberg), la strada verso un computer quantistico commerciale basato su questa tecnologia richiede ancora tempo. Tuttavia, l’apertura alla sintesi chimica potrebbe accelerare lo sviluppo rispetto ai metodi puramente fisici utilizzati finora.

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