Giulia Acconcia a crescut în orășelul istoric pitoresc Spoleto, adăpostit la poalele Munților Apenini din Italia. Încă din ciclul secundar de învățământ, a devenit fascinată de tehnologia modernă, o pasiune care avea să îi modeleze viitorul.
Pasiunea ei pentru electronică a determinat-o să urmeze Universitatea Politehnică din Milano (Italia), unde este acum în prima linie a cercetării în domeniul tehnicii de calcul cuantice.
Spre deosebire de computerele și smartphone-urile pe care le folosim zi de zi și care se bazează pe cipuri din siliciu și mișcarea electronilor, computerele cuantice fotonice exploatează puterea particulelor de lumină, fotonii, pentru a procesa informațiile cu viteze uimitoare.
Accelerarea cuantică
Computerele cuantice promit să fie mult mai rapide decât dispozitivele actuale și capabile să rezolve probleme complexe la care se împotmolesc în prezent chiar și cele mai avansate mașini.
Însă această tehnologie se confruntă cu obstacole însemnate înainte să poată genera valoare comercială, pentru care mai multe firme și organizații de cercetare din întreaga lume încearcă să găsească soluții.
În pofida provocărilor, lucrurile avansează. „Am observat multe progrese în ultimii doi-trei ani, într-un ritm la care nimeni nu se aștepta”, spune fizicianul teoretic Andrea Rocchetto.
Acesta este cofondatorul Ephos, o companie italiană implicată într-o inițiativă de cercetare colaborativă finanțată de UE, denumită QLASS, coordonată de Acconcia.
Inițiativa, gestionată de Fondazione Politecnico di Milano, reunește o echipă de cercetători de la cele mai bune centre de cercetare și IMM-uri din Franța, Italia și Germania. Aceștia încearcă să îmbunătățească performanțele cuantice exploatând proprietățile sticlei.
Misiunea lor este să valorifice cipurile din sticlă create de Ephos pentru a dezvolta un computer cuantic fotonic. Cipurile fabricate de Ephos utilizează lumina în locul electricității pentru procesarea informațiilor. Acestea includ până la 200 de moduri optice reconfigurabile, care le permit să regleze dinamic modul de răspândire a luminii în cip.
Munca cu lumina la o scară atât de mică nu este însă ușoară.
„Trebuie să utilizezi materiale care transmit lumina. Este un lucru dificil, deoarece trebuie să îngrădești lumina, dar și să eviți absorbția”, spune Acconcia. „Dacă lumina este absorbită, nu se va deplasa.”
Cercetătorii QLASS dezvoltă o mașină care să surmonteze aceste provocări.
Obiectivul lor este să genereze fotoni individuali și să îi dirijeze prin circuite din sticlă – ceea ce ar putea contribui la rezolvarea unor probleme reale, precum conceperea de baterii mai bune, descoperirea de noi medicamente sau chiar descifrarea misterelor universului.
Miez din sticlă
Una dintre cele mai promițătoare inovații ale echipei este scrierea cu laser în sticlă, o tehnică revoluționară dezvoltată de Ephos, care ar putea ajuta tehnologia cuantică să atingă noi culmi.
Compania Ephos este unică în ceea ce privește cipurile fotonice cuantice din sticlă.
În cadrul procesului, particulele de lumină sunt generate și se deplasează printr-o fibră optică în acest cip. Totul este fabricat din sticlă, astfel că riscurile ca fotonii să se rătăcească pe parcurs sunt mai mici.
Acest lucru este crucial, deoarece pierderea chiar și a unui singur foton înseamnă pierderea de informații valoroase.
Sarcina este complexă și necesită cu adevărat un efort paneruopean. În Germania, Pixel Photonics perfecționează detectori ultrasensibili pentru a capta fiecare foton, iar Schott AG furnizează substraturi de sticlă de înaltă calitate.
În Italia, echipa lui Acconcia din Milano dezvoltă componente electronice de înaltă performanță care acționează sistemul, iar experții în optică cuantică experimentală de la Universitatea Sapienza din Roma se ocupă de generarea de fotoni individuali.
În Franța, Unitary Foundation France construiește software open-source pentru a facilita operațiile cuantice. Echipele de la Centrul Național pentru Cercetare Științifică de la Universitatea din Montpellier modelează soluții avansate de stocare a energiei, o muncă fundamentală pentru viitoarele aplicații bazate pe cuantică.
Această rețea colaborativă se aliniază perfect cu obiectivele deceniului digital european și ale Actului legislativ european privind cipurile pentru implementarea primului supercomputer cu accelerare cuantică de pe continent până în 2025 și dezvoltarea unei industrii autohtone a cipurilor cuantice până în 2030.
Pariu mare pe tehnologia cuantică
Efortul de a face computerele mai rapide și mai puternice se confruntă cu limitări fizice legate de cât de mult am putea reduce dimensiunile cipurilor din siliciu. Computerele cuantice sunt o provocare cu totul diferită, dar oamenii de știință încă mai au de muncă pentru a le „îmblânzi”.
Cercetătorii QLASS împărtășesc un obiectiv comun: construirea unui dispozitiv cuantic fotonic funcțional la Universitatea Sapienza până în 2026. Odată finalizat acest dispozitiv, va fi testat cu un software dezvoltat la Universitatea din Montpellier și Unitary Foundation.
Prima provocare? Conceperea de baterii de litiu-ion mai bune, esențiale pentru stocarea energiei din surse regenerabile și electrificarea transportului european. Acconcia este entuziasmată de această idee.
„Mă pasionează întrucât sunt interesată de tehnologiile ecologice”, spune ea. „Cercetarea durează mult timp, dar când ești atât de aproape de aplicare, simți că poți face într-adevăr diferența în viitorul apropiat.”
Prin utilizarea algoritmilor cuantici variaționali – instrucțiuni speciale care ajută mașinile cuantice să rezolve probleme mai eficient – tehnica de calcul cuantică ar putea simula procesele chimice din baterii, ar putea accelera căutarea de noi materiale și chiar ar putea îmbunătăți modul în care monitorizăm sănătatea bateriilor.
Interes comercial
Între timp, Quantum Technologies Flagship, o inițiativă a UE cu durata de zece ani, lansată în 2018, sprijină aplicațiile cuantice comerciale cu un buget de 1 miliard EUR.
„În general, Europa este competitivă în raport cu SUA și China datorită bazei noastre vaste de talente și are o scenă a startup-urilor destul de diversă și bogată”, spune Rocchetto. „Ne lipsesc însă marii jucători comerciali cu buzunare foarte adânci precum cei din SUA.”
Computerele cuantice ar putea transforma și chimia. Deși oamenii de știință înțeleg regulile specifice atomilor și compușilor, urmărirea interacțiunilor acestora în timp real este incredibil de complexă și inaccesibilă computerelor actuale cu cipuri din siliciu.
„Simularea sistemelor cuantice ar putea să ne ajute la descoperirea de noi medicamente și noi materiale”, spune Rocchetto. Acesta crede că, în cele din urmă, tehnica de calcul cuantică va deschide noi uși.
„Ne va permite să descoperim mai multe despre universul însuși. Acesta este principalul motiv pentru care trebuie să construim aceste mașini.”
Articol scris de Anthony King
Cercetările menționate în acest articol au fost finanțate prin programul Orizont al UE. Opiniile persoanelor intervievate nu reflectă neapărat opiniile Comisiei Europene.
Acest articol a fost publicat inițial în Horizon, revista de cercetare și inovare a UE.
Mai multe informații