Realizzato chip quantistico in cui la memoria vibra come le corde di una chitarra?

Introduzione

Immaginate una chitarra grande quanto un'unghia, con corde così piccole da non produrre alcun suono udibile. Non è un giocattolo, ma il cuore di un nuovo approccio al calcolo quantistico presentato sulla rivista Science dal gruppo di fisica coordinato dalla Prof.ssa Yiwen Chu presso il Politecnico federale di Zurigo (ETH Zurich). L'idea di fondo è tanto semplice da spiegare quanto difficile da realizzare: invece di conservare l'informazione in campi elettromagnetici, secondo gli standard odierni, la si immagazzina sotto forma di minuscole vibrazioni meccaniche.

 

Il problema, dove i computer quantistici perdono colpi

Un computer quantistico lavora con i qubit, cioè bit quantistici, l'equivalente degli 0 e 1 di un computer normale ma con la capacità di trovarsi in stati intermedi e intrecciati fra loro. I qubit superconduttori, oggi tra i più diffusi, hanno però un limite strutturale: mescolano in un unico componente sia la parte che effettua i calcoli sia la parte che recupera i dati immagazzinati in memoria. È come avere un ufficio in cui la stessa scrivania serve sia per lavorare sia per archiviare i documenti. Prima o poi lo spazio a disposizione si esaurisce.

 

Nei computer classici questo problema è stato risolto da tempo separando due componenti: la CPU (Central Processing Unit, l'unità centrale di elaborazione dei dati) e la RAM (Random Access Memory, la memoria di lavoro dove i dati vengono “parcheggiati” e richiamati nel momento in cui sono necessari). Il gruppo coordinato dalla prof.ssa Chu ha provato a portare questa stessa divisione dei compiti nel mondo quantistico.

La soluzione, una memoria che vibra come le corde di una chitarra

Nel chip sviluppato dai ricercatori del dipartimento di fisica ETH il ruolo della CPU è affidato a un qubit superconduttore di tipo transmon, un circuito che sfrutta la superconduttività per effettuare i calcoli in modo veloce e preciso. La memoria, invece, è di tipo meccanico: un componente chiamato risonatore ad onde acustiche di volume ad alto ipertono, in sigla HBAR (High-overtone Bulk Acoustic wave Resonator), che vibra a frequenze altissime (molto oltre la soglia dell'udito umano).

Qui è utile richiamare la metafora della chitarra citata nell’introduzione di questo articolo. Come una corda può vibrare in molti modi diversi producendo note distinte, alle stesso modo il risonatore può oscillare secondo numerose «modalità di vibrazione». Nel linguaggio informatico, ogni modalità corrisponde a una casella (slot) di memoria quindi se abbiamo più modalità di vibrazione abbiamo di conseguenza più slot disponibili. La differenza cruciale rispetto a una chitarra vera è data dal fatto che valgono le leggi della meccanica quantistica quindi ogni vibrazione può trovarsi in sovrapposizione o essere intrecciata con le altre, cosa impossibile con lo strumento musicale a dimensioni reali.

Per sintetizzare «il nostro chip contiene minuscoli componenti che iniziano a vibrare quando immagazzinano informazione» scrive la Prof.ssa Chu.

 

Che cosa hanno davvero dimostrato i ricercatori?

Gli scienziati non si sono limitati a costruire la memoria, hanno infatti dimostrato che il prototipo da loro ideato e realizzato è in grado di effettuare calcoli. In particolare i ricercatori hanno realizzato un insieme «universale» di operazioni logiche, il minimo indispensabile affinché una macchina possa in linea di principio eseguire qualsiasi calcolo quantistico e lo ha messo alla prova con due algoritmi noti.

Il primo è la trasformata di Fourier quantistica, in sigla QFT (Quantum Fourier Transform), un mattone fondamentale di molti algoritmi quantistici. Il secondo è la ricerca del periodo, una procedura che è il cuore dell'algoritmo di Shor per la fattorizzazione dei numeri. Il dott. Igor Kladarić, dottorando e coautore, spiega che l'algoritmo di ricerca del periodo è servito proprio a mostrare a cosa può servire la QFT in pratica. Nei test il sistema ha individuato correttamente il periodo cercato, usando tre modalità di vibrazione come tre qubit di memoria.

 

I numeri che il comunicato dell'ETH non racconta

Qui vale la pena leggere il paper "Mechanical Resonator-based Quantum Computing" accanto al comunicato, perché raccontano la stessa storia con due toni diversi. Il comunicato parla di uno «stress test superato»; lo studio mette in fila cifre che chiariscono a che punto siamo davvero.

Le operazioni sui singoli qubit di memoria hanno raggiunto fedeltà attorno al 95%, un buon risultato. Le operazioni a due qubit si fermano sopra l'85%. Ma quando si concatenano molte operazioni, come nella QFT completa su tre modalità, la fedeltà scende intorno al 55%: un valore che dice, senza giri di parole, quanto la tecnologia abbia ancora tanta strada da percorrere.

Il vantaggio della memoria meccanica emerge invece dai tempi di tenuta. Il transmon che effetua i calcoli mantiene il suo stato coerente per una ventina di microsecondi, mentre le vibrazioni meccaniche lo conservano fino a circa dieci-quindici volte più a lungo. Tradotto: la parte che "ricorda" dimentica molto più lentamente della parte che calcola, ed è esattamente ciò che serve a una buona memoria di lavoro. Il tutto in un chip lungo circa 7,5 millimetri, largo poco più di un'unghia.

 

Vantaggi, limiti e prospettive

I punti di forza dichiarati sono due: la memoria meccanica è molto più compatta di quella elettromagnetica e conserva l'informazione più a lungo. Il limite principale, ammesso dagli stessi autori, è la scalabilità del sistema. Oggi il sistema gestisce poche modalità di vibrazione ma per diventare utile davvero dovrà gestirne molte di più e restare affidabile in circuiti più grandi. Gli autori indicano già i prossimi step, dal passaggio a una diversa architettura del circuito all'aggiunta di filtri per leggere più velocemente lo stato del qubit.

Sul fronte delle applicazioni pratiche conviene essere precisi perché lasciarsi trascinare dall'entusiasmo è molto facile. Nello studio non sono state descritte applicazioni per l’uso quotidiano da parte delle aziende né promesse di prodotti disponibili nell’immediato. L'obiettivo del gruppo di ricerca è quello di realizzare un componente specifico per i computer quantistici del futuro: una memoria quantistica ad accesso casuale, in sigla QRAM (Quantum Random Access Memory). Solo più a valle, e in modo del tutto ipotetico, si intravedono i campi di potenziale applicazione in cui i computer quantistici potrebbero un giorno fare la differenza, come la crittografia (via algoritmo di Shor), la simulazione di molecole e materiali o specifici problemi di ottimizzazione. Ma, come ricorda lo stesso comunicato diffuso dal Politecnico di Zurigo, la strada da percorrere verso una macchina abbastanza potente e affidabile per la ricerca scientifica e l'industria è ancora lunga.

Per provare a tirare le somme del discorso i risultati conseguiti dagli scienziati del politecnico ETH non rappresentano un punto di arrivo ma un passo in avanti, la prova cioè che una memoria fatta di vibrazioni può essere impiegata insieme a un processore quantistico e permettere l’esecuzione di algoritmi veri. Un mattone in più, posato con onestà, nella costruzione ancora lontana del computer quantistico.

 

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Riferimenti

 

- Comunicato ETH Zurich, «Inside this computer chip, the memory vibrates», 9 luglio 2026.

- Yu Yang et al., «Mechanical resonator–based quantum computing», *Science* 392, 972-976 (2026). DOI: 10.1126/science.aef4139. Preprint aperto: arXiv:2601.07825.