Firenze, atomi di itterbio per il computer quantistico Unifi

Singoli atomi di itterbio trasformati in unità di memoria e calcolo: nei laboratori del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Firenze prende forma una ricerca destinata a contribuire allo sviluppo dei computer quantistici. Il progetto coinvolge anche il Consiglio nazionale delle ricerche e il Laboratorio europeo di spettroscopia non lineare, con l’obiettivo di comprendere e controllare i fenomeni fisici necessari per utilizzare gli atomi come qubit.

La ricerca finanziata attraverso i programmi del PNRR

Le attività rientrano nei programmi sostenuti dal Ministero dell’Università e della Ricerca attraverso le risorse del Piano nazionale di ripresa e resilienza e di NextGenerationEU. Il lavoro dell’Ateneo fiorentino si sviluppa nell’ambito del Centro nazionale di ricerca in High Performance Computing, Big Data and Quantum Computing e del partenariato esteso National Quantum Science and Technology Institute.

Queste iniziative riuniscono università, enti scientifici e laboratori specializzati per rafforzare la ricerca italiana nelle tecnologie quantistiche. L’obiettivo è studiare nuovi sistemi di calcolo, sviluppare piattaforme sperimentali e formare ricercatori capaci di lavorare in un settore che richiede competenze avanzate in fisica atomica, informatica e ingegneria.

Il laboratorio dell’Università di Firenze è diretto da Leonardo Fallani, docente del Dipartimento di Fisica e Astronomia e referente scientifico dell’Ateneo nel partenariato NQSTI. Il ricercatore ha illustrato il progetto anche nel programma Rai “Codice: La vita è digitale”, durante un servizio dedicato al quantum computing.

Gli atomi diventano il registro di memoria della macchina

Il sistema studiato a Firenze utilizza atomi di itterbio, elementi che presentano caratteristiche identiche e possono essere controllati con elevata precisione attraverso tecniche ottiche. Gli scienziati puntano a disporli e manipolarli affinché ciascun atomo possa rappresentare una delle unità fondamentali del calcolatore quantistico.

Nei computer tradizionali l’informazione è affidata ai bit, che assumono il valore zero oppure uno. Un qubit, seguendo le leggi della meccanica quantistica, può invece trovarsi in una combinazione dei due stati. Questo fenomeno, chiamato sovrapposizione, permette di elaborare l’informazione secondo modalità diverse da quelle utilizzate dalle macchine convenzionali.

La possibilità di controllare singole particelle rappresenta però una sfida complessa. Gli atomi devono essere isolati dalle interferenze esterne, mantenuti in condizioni estremamente stabili e guidati attraverso impulsi accurati. Anche variazioni minime dell’ambiente possono alterare lo stato quantistico e compromettere il risultato delle operazioni.

L’entanglement per collegare le unità di calcolo

Un altro fenomeno studiato nei laboratori è l’entanglement, una correlazione quantistica tra due o più particelle. Quando gli atomi vengono preparati in questo stato, le loro proprietà risultano strettamente collegate e devono essere descritte come parte di un unico sistema.

Questa relazione consente di progettare operazioni che coinvolgono simultaneamente più qubit e costituisce uno dei principi alla base degli algoritmi quantistici. La capacità di creare, mantenere e misurare l’entanglement è quindi essenziale per costruire dispositivi affidabili e aumentare progressivamente il numero delle unità di calcolo utilizzabili.

I computer quantistici non sono destinati a sostituire ogni macchina tradizionale. Il loro potenziale riguarda problemi specifici, come la simulazione di materiali e molecole, l’ottimizzazione di sistemi complessi e alcune elaborazioni scientifiche. Per raggiungere applicazioni estese sarà necessario migliorare la stabilità dei qubit, ridurre gli errori e sviluppare architetture capaci di controllare un numero elevato di atomi.

La ricerca condotta a Firenze affronta proprio questi meccanismi di base, collegando lo studio della materia quantistica alla progettazione delle tecnologie di calcolo future. La collaborazione tra Unifi, CNR e LENS permette di integrare competenze teoriche e sperimentali, mettendo a disposizione infrastrutture avanzate e una rete scientifica inserita nei principali programmi nazionali del settore.