Nanocalcolatori e griglia quantica

Un gruppo di ricercatori dell’Istituto di Elettronica Quantica di Zurigo (www.iqe.ethz.ch) ha compiuto un altro fondamentale passo avanti verso la realizzazione del calcolatore quantico, il rivoluzionario e un po’ fantascientifico super-strumento di elaborazione su cui stanno lavorando tutti i maggiori laboratori informatici al mondo. Uno dei maggiori problemi sulla strada della realizzazione di un calcolatore che usa gli atomi per memorizzare ed elaborare le informazioni è proprio la difficoltà di conservarle. Un singolo raggio di luce, che porta con sé energia, può cambiare lo stato degli atomi e compromettere i risultati del calcolo. Questo è uno dei motivi per cui i calcolatori quantici sin qui realizzati in laboratorio sono straordinariamente semplici (il più grande è composto da soli sette atomi).
Gli scienziati di Zurigo sono riusciti a mettere in fila e in riga come soldati i ben 150.000 atomi che compongono uno speciale gas, il gas di rubidio: un po’ come uova in un cartone gli atomi si sono trovati in una griglia, ciascuno al suo posto. A questo punto, usando raggi laser finemente posizionati, sono riusciti a manipolare gli atomi uno ad uno.
Per convincere gli atomi a non spostarsi è stato necessario raffreddarli a una temperatura prossima allo zero assoluto (meno 273,15 gradi centigradi): per l’esattezza, distante solo un centomilionesimo di grado. Ciascuno degli atomi di rubidio a questo punto si comporta come un piccolissimo pianeta: ruota su se stesso, il suo campo magnetico può venire rilevato, distinguendo la rotazione oraria da quella antioraria. Ciascun atomo, dunque, può potenzialmmente venire utilizzato come un bit di informazione e l’intera struttura, che gli scienziati chiamano “isolante Mott”, potrà un giorno diventare la RAM quantica che memorizza le informazioni per l’elaboratore quantico.
Pressappoco nello stesso periodo, cioè durante il mese di gennaio, un gruppo misto di scienziati americani e coreani ha realizzato un’altra scoperta stupefacente. Nel calcolatore quantico probabilmente le informazioni verranno trasmesse nella forma di raggi di luce, cioè di fotoni. I fotoni però normalmente si muovono sempre alla stessa velocità, la velocità della luce. Gli scienziati, sotto la direzione di Peter Hemmer dello A&M (www.tamu.edu), hanno scoperto un metodo per rendere opaca a piacere una speciale sostanza che si fa poi attraversare dalla luce. L’opacità rallenta i fotoni e può quasi arrivare a fermarli strada facendo. Per ora, purtroppo, il processo confonde e rende illeggibili le informazioni che la luce stava trasportando con sé.
Una terza scoperta viene dalla Università dell’Illinois (www.physics.uiuc.edu). I ricercatori di laggiù sono riusciti a trovare una nuova applicazioni per la sostanza più magica che la chimica abbia scoperto negli anni Novanta, il buckminsterfullerene. Si tratta di una molecola complessa che ha l’aspetto di una sfera vuota (perché tutti gli atomi sono disposti sulla superficie e collegati tra di loro da legami che rendono stabile la forma). Gli scienziati hanno trovato il modo di infilare le sfere di buckminsterfullerene dentro a un nanotubo di carbonio, realizzando una struttura che assomiglia a un baccello pieno di piselli ma largo quanto una decina di atomi. Spostando le piccolissime sfere dentro al tubo, le proprietà elettriche di questo variano con continuità dal un perfetto isolante a un perfetto conduttore. Lo spostamento della sfera richiede solo dieci milionesimi di milionesimi di secondo: la memoria RAM più veloce di un moderno personal computer richiede cinquecento volte più tempo per cambiare di stato e per questo motivo rallenta grandemente le capacità di elaborazione del sistema, che di per sé sarebbero molto maggiori.
Se le sfere vengono spaziate a intervalli regolari hanno l’effetto di regolare le proprietà quantiche degli elettroni che stanno attraversando il nanotubo: come una specie di canna dell’acqua che per la sua forma costringe il liquido a uscire a fiotti regolati (fotografia). Le applicazioni di questa scoperta sono ancora tutte da trovare, ma gli scienziati sospettano che saranno epocali.