Operazioni logiche universali in un processore quantistico al silicio

Trasformare bit quantistici fragili in strumenti affidabili

I computer quantistici promettono di risolvere alcuni problemi ben oltre le capacità delle macchine odierne, ma i loro mattoni fondamentali, noti come qubit, sono estremamente fragili. Questo studio mostra come i qubit realizzati nel silicio possano essere combinati in modo da comportarsi come vettori d'informazione più robusti, avvicinando il calcolo quantistico pratico alle tecnologie già impiegate nell'elettronica di tutti i giorni.

Perché costruire sul silicio è importante

La maggior parte dei nostri computer classici funziona su chip di silicio, quindi poter realizzare hardware quantistico nello stesso materiale potrebbe facilitare la produzione e la scalabilità dei dispositivi futuri. Il team lavora con qubit di spin formati da atomi di fosforo posizionati con precisione atomica all'interno di un cristallo di silicio. Questi spin possono conservare informazione quantistica per tempi lunghi, e lavori precedenti hanno dimostrato che singoli spin e piccoli gruppi possono essere controllati con elevata precisione. Ciò che mancava nel silicio era il passo successivo: eseguire operazioni “logiche” complete che proteggano attivamente l'informazione dal rumore.

Memorizzare un qubit logico in più qubit fisici

I ricercatori impiegano uno schema intelligente chiamato codice [[4, 2, 2]], in cui quattro qubit fisici memorizzano congiuntamente due qubit logici, mentre un quinto qubit svolge un ruolo di supporto. Invece di fidarsi di un singolo qubit, l'informazione è distribuita su tutti e quattro, così che alcuni guasti su singole particelle possano essere individuati e scartati. Il dispositivo è costruito incidendo pattern sulla superficie del silicio con un microscopio a effetto tunnel e poi drogando le regioni patternate con atomi di fosforo per formare un compatto agglomerato di cinque spin nucleari che fungono da qubit. Tramite impulsi magnetici calibrati con cura, il team prepara due stati logici, incluso una coppia entangled di tipo “Bell”, e dimostra che, una volta eliminate le traiettorie affette da errori rilevabili, questi stati logici vengono riprodotti con fedeltà superiore al 95%.

Mantenere l'informazione quantistica viva e sotto controllo

Per verificare la robustezza dell'informazione logica, gli autori osservano come gli stati codificati evolvono nel tempo. Tracciano diversi tipi di errori e rilevano che i ribaltamenti di fase quantistica predominano rispetto ai semplici ribaltamenti di bit, un “bias di rumore” che la teoria suggerisce possa rendere più efficiente la correzione degli errori. Il team dimostra quindi un set completo di porte logiche: operazioni che ribaltano, ruotano e intrecciano i qubit logici senza doverli decodificare nuovamente in singoli spin. La maggior parte di queste porte è realizzata direttamente con le interazioni native nel cluster di donatori. Un tipo speciale di rotazione, noto come porta T e fondamentale per un calcolo quantistico veramente generale, è ottenuto indirettamente coinvolgendo un qubit ausiliario e usando i risultati delle misure per decidere come il qubit logico è stato ruotato.

Creare carburante quantistico speciale e testare un algoritmo reale

Le stesse operazioni di tipo T permettono al team di preparare i cosiddetti “magic state”, particolari configurazioni di sovrapposizione quantistica necessarie per eseguire algoritmi universali corretti dagli errori. Diverse varianti di questi stati vengono create e misurate, con una variante che supera la soglia di qualità nota richiesta per future routine di purificazione. Per mostrare un uso pratico, i ricercatori eseguono un piccolo calcolo di chimica quantistica usando una procedura ibrida quantistica–classica chiamata variational quantum eigensolver. Con solo due qubit logici, approssimano l'energia dello stato fondamentale di una molecola d'acqua al variare dell'angolo di legame, applicando ulteriori passaggi di pulizia dei dati per contrastare il rumore residuo. La curva di energia risultante concorda strettamente con le aspettative teoriche, nonostante l'hardware sottostante sia ancora relativamente piccolo.

Cosa significa per le macchine quantistiche future

Questo lavoro segna la prima dimostrazione di operazioni logiche universali in un processore quantistico basato su silicio costruito con atomi donatori. Codificando l'informazione su più spin, rilevando gli errori a posteriori e riuscendo comunque a eseguire un algoritmo ispirato alla chimica, gli autori dimostrano che i qubit di spin su silicio possono superare il ruolo di semplici blocchi isolati per diventare unità protette e programmabili. Con una migliore fabbricazione per posizionare con maggior precisione i donatori, con minore diafonia tra i segnali di controllo e con array più ampi di questi cluster, schemi logici simili potrebbero scalare fino a computer quantistici pratici e tolleranti ai guasti posti molto più vicino alla tecnologia dei chip odierni.

Citazione: Zhang, C., Xu, F., Zhang, S. et al. Universal logical operations in a silicon quantum processor. Nat. Nanotechnol. 21, 635–641 (2026). https://doi.org/10.1038/s41565-026-02140-1

Parole chiave: processore quantistico al silicio, qubit logici, codice [[4, 2, 2]], calcolo quantistico tollerante ai guasti, chimica quantistica