Svolta nel calcolo quantistico: un dispositivo creato dalla UCLA può funzionare a temperatura ambiente. Addio silicio?

L’informatica moderna sta cozzando contro un muro. Le attuali tecnologie di calcolo stanno raggiungendo i limiti fisici di quanta potenza di elaborazione possa essere concentrata in un singolo chip, e il fabbisogno energetico per addestrare i modelli di intelligenza artificiale è diventato insostenibile. Questi limiti minacciano di rallentare il progresso in settori cruciali come la logistica, la pianificazione delle telecomunicazioni e l’ottimizzazione dei percorsi di viaggio.

Ma una collaborazione tra i ricercatori della UCLA e della UC Riverside potrebbe aver trovato una via d’uscita rivoluzionaria. Il team ha presentato una nuova strategia per affrontare alcuni dei problemi di ottimizzazione più complessi, noti come “problemi di ottimizzazione combinatoria“.

Invece di rappresentare le informazioni in modo puramente digitale, il loro sistema elabora i dati attraverso una rete di oscillatori, componenti che vibrano a frequenze definite. Questa architettura, chiamata macchina di Ising, eccelle nel calcolo parallelo, permettendo di eseguire simultaneamente una moltitudine di calcoli. La soluzione al problema viene trovata quando tutti gli oscillatori raggiungono la sincronia.

Proprietà quantistiche a temperatura ambiente: la vera rivoluzione

La scoperta, pubblicata sulla prestigiosa rivista Physical Review Applied, descrive un dispositivo che sfrutta le proprietà quantistiche che collegano l’attività elettrica con le vibrazioni all’interno di un materiale. La vera svolta sta qui: a differenza della maggior parte degli approcci di calcolo quantistico, che richiedono temperature criogeniche vicine allo zero assoluto (-273 °C) per mantenere il loro stato quantistico, questo dispositivo funziona a temperatura ambiente.

Figura: (pannelli superiori) Immagine al microscopio elettronico a scansione che mostra un canale del dispositivo a onda di densità di carica nel circuito di oscillatori accoppiati. (pannelli inferiori) Illustrazione della risoluzione del problema di ottimizzazione “max-cut”, che mostra il grafico connesso 6×6 e la rappresentazione del circuito dei sei oscillatori. Credito: Alexander Balandin

Figura: (pannelli superiori) Immagine al microscopio elettronico a scansione che mostra un canale del dispositivo a onda di densità di carica nel circuito di oscillatori accoppiati. (pannelli inferiori) Illustrazione della risoluzione del problema di ottimizzazione “max-cut”, che mostra il grafico connesso 6×6 e la rappresentazione del circuito dei sei oscillatori. Credito: Alexander Balandin

“Il nostro approccio è un calcolo ispirato alla fisica, emerso di recente come un metodo promettente per risolvere problemi di ottimizzazione complessi,” ha dichiarato l’autore corrispondente Alexander Balandin, professore di ingegneria e scienza dei materiali alla UCLA. “Sfrutta fenomeni fisici per eseguire calcoli direttamente attraverso processi fisici, ottenendo così una maggiore efficienza energetica e velocità.”

Lo studio è stato finanziato dall’Office of Naval Research e dall’Army Research Office, indicando un forte interesse strategico e militare per questa tecnologia.

Un ponte tra Fisica quantistica e classica

La ricerca ha dimostrato che gli oscillatori evolvono naturalmente verso uno “stato fondamentale” in cui sono sincronizzati, permettendo alla macchina di risolvere i problemi di ottimizzazione. Per raggiungere questo obiettivo, Balandin e i suoi colleghi hanno utilizzato un materiale quantistico speciale, una forma di solfuro di tantalio. Questo materiale agisce come un ponte tra le regole controintuitive della meccanica quantistica e la fisica del mondo reale, rendendo possibile l’alternanza tra fasi elettriche e vibrazionali.

Il potenziale è enorme. La nuova tecnologia non solo promette un funzionamento a basso consumo energetico, ma potrebbe anche essere compatibile con la tecnologia convenzionale al silicio (CMOS).

“Qualsiasi nuovo hardware basato sulla fisica deve potersi integrare con la tecnologia digitale standard al silicio CMOS per avere un impatto sui sistemi di elaborazione dati,” ha spiegato Balandin. “Il materiale a onda di densità di carica che abbiamo scelto per questa dimostrazione ha il potenziale per tale integrazione.”

Questo non è solo un esperimento di laboratorio; è un potenziale cambio di paradigma che potrebbe un giorno rendere obsoleti i limiti che oggi frenano l’innovazione tecnologica.