Nell’edificio 13 del campus del MIT, c’è un’attrezzatura da mezzo milione di dollari che sembra un lungo lampadario allungato, con una serie di dischi d’oro collegati da sottili tubi d’argento. L’attrezzatura, nota come frigorifero di diluizione, è un attore chiave nella ricerca del dottorando Alex Greene, poiché ospita tutti i loro esperimenti. “La mia vita prende forma attorno ai suoi ritmi”, dicono.
La prima volta che Greene ha aiutato a mettere nuovi campioni nel frigorifero, stavano lavorando con un post-dottorato a mezzanotte di venerdì, facendo esplodere musica danese screamo. Da allora, il frigorifero li ha guidati in avventure eccitanti e frustranti durante la loro ricerca di dottorato sulla riduzione degli errori nei sistemi di calcolo quantistico.
Greene è cresciuto nel nord del New Jersey con il loro gemello identico, Jamie. I due erano estremamente competitivi da bambini e, fuori dalla scuola, si dedicavano alla corsa, al salto con l’asta e all’arrampicata su roccia. Il loro padre è un neurologo e la loro madre è un’ex ingegnere elettrico che ha lavorato presso i Bell Labs, un laboratorio di ricerca noto per la tecnologia all’avanguardia per computer e telefoni.
Nel 2010, Alex e Jamie sono entrambi arrivati al MIT come studenti universitari. Alex si era interessato all’ingegneria biomedica durante il liceo, “Ma poi ho scoperto che odio lavorare in laboratori” umidi “, dove gli scienziati gestiscono sostanze chimiche e materiali biologici, dicono. Un’altra influenza è stata “Contact” di Carl Sagan, un libro di fantascienza su un astronomo alla ricerca di intelligenza extraterrestre. “Mi ha fatto appassionare alla fisica”, dice Greene.
Come studente del MIT, Greene ha conseguito una doppia specializzazione in fisica, ingegneria elettrica e informatica. Hanno trovato una casa nel campo dell’informatica quantistica, dove i ricercatori stanno lavorando per costruire computer estremamente potenti sfruttando i concetti di fisica nella meccanica quantistica.
Greene è rimasto al MIT per perseguire un MEng in informatica quantistica, lavorando al Lincoln Laboratory. Lì, hanno studiato i modi per migliorare una tecnologia chiamata calcolo quantistico a ioni intrappolati, che utilizza atomi sospesi nell’aria e controllati da laser.
Dopo aver completato il loro master, sono passati a una tecnologia diversa chiamata informatica quantistica superconduttiva. Invece di atomi sospesi, questa tecnologia utilizza minuscoli circuiti elettrici che sono eccezionali nel trasportare corrente elettrica. Per controllare questi circuiti, i ricercatori devono solo inviare segnali elettrici.
Per questo progetto, Greene ha voluto lavorare con il professor William Oliver del MIT, che dirige il Center for Quantum Engineering nel Research Laboratory of Electronics. Ancora una volta, Greene ha scelto di rimanere all’Istituto, questa volta per proseguire il dottorato.
Aggiungere casualità ai computer quantistici
Un giorno, i computer quantistici potrebbero risolvere problemi oltre la portata dei normali computer classici, consentendo enormi progressi in molte applicazioni. Tuttavia, manipolare l’hardware in modo che mostri un comportamento quantistico è impegnativo dal punto di vista tecnologico. Attualmente, i computer quantistici, compresi quelli superconduttori, lottano con alti tassi di errore che limitano la lunghezza e la complessità dei “programmi” che possono eseguire. La maggior parte della ricerca sperimentale nel calcolo quantistico si concentra sull’affrontare questi errori.
Greene sta lavorando per rendere i computer quantistici superconduttori più accurati riducendo l’impatto di questi errori. Per testare le loro idee, devono eseguire esperimenti su circuiti superconduttori. Ma affinché questi circuiti funzionino, devono essere raffreddati a temperature estremamente basse, circa -273,13 gradi Celsius, entro 0,02 gradi dalla temperatura più fredda possibile nell’universo.
È qui che entra in gioco il frigorifero a diluizione simile a un lampadario. Il frigorifero può raggiungere facilmente le temperature fredde richieste. Ma a volte si comporta male, mandando Greene in missioni secondarie per risolvere i suoi problemi.
La missione secondaria più ardua di Greene consisteva nell’inseguire una perdita in uno dei tubi del frigorifero. I tubi trasportano una miscela di gas costosa e rara utilizzata per raffreddare il frigorifero, che Greene non poteva permettersi di perdere. Fortunatamente, anche con la perdita, il frigorifero è stato progettato per rimanere funzionante senza perdere alcuna miscela per circa due settimane alla volta. Ma, per mantenere il frigorifero in servizio, Greene ha dovuto riavviarlo e pulirlo costantemente nell’arco di cinque giorni. Dopo circa sette mesi stressanti, Greene e il loro compagno di laboratorio hanno finalmente individuato e riparato la perdita, consentendo a Greene di riprendere la loro ricerca a pieno regime.
Per definire una strategia per migliorare efficacemente la precisione dei computer quantistici superconduttori, Greene doveva prima fare il punto sui diversi tipi di errori in questi sistemi. Nel calcolo quantistico, ci sono due categorie di errori: errori incoerenti e coerenti. Gli errori incoerenti sono errori casuali che si verificano anche quando il computer quantistico è inattivo, mentre gli errori coerenti sono causati da un controllo imperfetto del sistema. Nei computer quantistici, gli errori coerenti sono spesso i peggiori colpevoli delle imprecisioni del sistema; i ricercatori hanno dimostrato matematicamente che gli errori coerenti si accumulano molto più velocemente degli errori incoerenti.
Per evitare le brutte imprecisioni combinate di errori coerenti, Greene ha impiegato una tattica intelligente: mascherare questi errori per farli sembrare errori incoerenti. “Se tu [strategically] introdurre un po’ di casualità nei circuiti superconduttori”, si dice che gli errori coerenti si aggreghino tanto lentamente quanto gli errori incoerenti. Anche altri ricercatori nel campo stanno impiegando tattiche di casualità in modi diversi, osserva Greene. Tuttavia, attraverso la loro ricerca, Greene sta aiutando a spianare la strada a computer quantistici superconduttori più accurati.
Migliorare l’igiene dell’acqua in Pakistan
Al di fuori della ricerca, Greene è costantemente impegnata in un vortice di attività, aggiungendo nuovi hobby mentre rimuove faticosamente quelli vecchi per fare spazio al loro fitto programma. Nel corso degli anni, i loro hobby sono stati la soffiatura del vetro, il canto in un coro queer locale e l’arrampicata su roccia competitiva. Attualmente, trascorrono i fine settimana lavorando su progetti di bricolage con il loro partner nella loro cooperativa color arcobaleno.
Nell’ultimo anno e mezzo, Greene è stata anche coinvolta in progetti di risanamento dell’acqua attraverso lezioni con il MIT D-Lab, un programma basato su progetti volto ad aiutare le comunità povere di tutto il mondo. Prendere lezioni in D-Lab era “qualcosa che ho sempre voluto fare dall’università, ma non ho mai avuto tempo per farlo”, dicono. Sono stati finalmente in grado di inserire D-Lab nel loro programma utilizzando le classi per soddisfare i loro requisiti di dottorato.
Per un progetto, stanno sviluppando un sistema per filtrare in modo efficace ed economico il dannoso fluoruro in eccesso dalle riserve idriche in Pakistan. “Non è intuitivo che il fluoro sia dannoso perché abbiamo fluoro nel nostro dentifricio”, dicono. “Ma in realtà, troppo fluoro cambia la durezza di denti e ossa”. Un’idea che loro e i loro collaboratori stanno esplorando è quella di costruire un sistema di filtrazione dell’acqua utilizzando l’argilla, un metodo di rimozione del fluoro consolidato ma economico.
Un assistente professore in visita dal Pakistan, che stava partecipando al corso D-Lab, aveva inizialmente lanciato il progetto di filtrazione del fluoro. Al termine della lezione, il professore è tornato in Pakistan ma ha continuato a portare avanti il progetto. Greene sta ora lavorando virtualmente con il professore per aiutare a capire il miglior tipo di argilla per filtrare il fluoro. Attraverso le loro esperienze con D-Lab, Greene vede se stessa continuare a fare volontariato in progetti di risanamento dell’acqua a lungo termine.
Greene prevede di finire il dottorato di ricerca questo dicembre. Dopo 12 anni al MIT, Greene mira a lasciare l’Istituto per lavorare in una società di informatica quantistica. “È davvero un ottimo momento per essere sul campo” nell’industria, dicono. “Le aziende iniziano a crescere [quantum computing] tecnologia.”
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