Innovazione

Memorie nucleari per i computer di domani

Da anni gli scienziati stanno lavorando, senza successo, alla realizzazione di un computer quantistico, una macchina superveloce capace di memorizzare ed elaborare le informazioni sotto forma di quanti, pariticelle di luce o onde di materia. Ma ora un gruppo di scienziati americani è riuscito a costruire una memoria quantistica che può essere utilizzata su computer convenzionali. E sembra funzionare... (Focus.it 16 dicembre 2010)

Un team di ricercatori dell’Università dello Utah ha messo a punto la più piccola e veloce memoria per computer attualmente teorizzabile. Gli scienziati guidati da Dane McCamey e Christoph Boehme, fisici dell’ateneo americano, sono riusciti a immagazzinare un set di dati per 112 secondi nel campo magnetico che si trova all’interno del nucleo di un atomo e sono poi riusciti a recuperarlo, perfettamente integro, grazie a un procedimento elettronico.
In pratica hanno usato il nucleo atomico come una chiavetta USB.
Il risultato, pubblicato sull’ultimo numero di Science, è estemamente importante perchè apre la strada allo sviluppo di un’informatica di nuova concezione, completamente diversa da quella con cui interagiamo quotidianamente.
Certo, al momento la memoria atomica non è particolarmente pratica da utilizzare: funziona a temperature appena superiori allo zero assoluto e solo se circondata da un campo magnetico 200.000 volte più intenso di quello terrestre, ma McCamey,e i suoi collaboratori pensano di riuscire a risolvere questi problemi.

Dal bit al qubit
I moderni computer sono elettronici: processano e memorizzano le informazioni sottoforma di flussi elettrici, cioè di elettroni, all’interno di transistor. Questi non sono altro che interruttori capaci di immagazzinare le informazioni come sequenze di "acceso" (quando c’è carica elettrica) e spento (quando la carica è assente): in pratica sequenze di 1 e 0.
Da molti anni gli scienziati stanno cercando di sviluppare dei computer quantistici, macchine capaci di funzionare secondo le leggi della fisica quantistica che prevede la possibilità per le particelle di luce e materia di essere contemporaneamente in due posti diversi.
In questi computer il bit quantistico, o qubit, può assumere il valore di 0 e 1 nello stesso momento. Ciò significa che, in teoria , un computer di questo tipo potrebbe essere miliardi di volte più veloce di uno convenzionale.

Non c'è atomo senza spin
Ma se in un computer quantistico non ci sono nè cariche elettriche nè transistor dove vengono immagazzinate le informazioni? All’interno dei nuclei atomici che formano le unità di memoria, sottoforma di "spin", un concetto piuttosto complesso che descrive una proprietà delle particelle subatomiche.
Per capire di cosa si tratta, si può provare a immaginare che protoni ed elettroni contengano delle piccole barre magnetiche simili all’ago di una bussola, che puntano verso l’alto (up) o verso il basso (down) a seconda dello spin. Down e up sono l’equivalente quantistico dello 0-1 di un computer elettronico.

Silcio dopato
McCarmey, Boehme e i loro colleghi hanno potenziato con atomi di fosforo una memoria convenzionale al silicio di un millimetro quadrato e l’hanno collegata a dei contatti elettrici. Hanno poi messo il tutto in un supercongelatore e lo hanno circondato con un campo magnetico molto intenso.
Dopo aver allineato tutti gli spin con un campo magnetico da 8.59 Tesla (200.000 volte più intenso di quello terrestre), hanno utilizzato delle onde elettromagnetiche per scrivere le informazioni sotto forma di up e down negli spin degli elettroni che ruotano attorno ai nuclei di fosforo. Poi, grazie a onde radio, hanno trasferito gli spin ai protoni del nucleo.
Gli spin dei protoni sono più stabili rispetto a quelli degli elettroni, e quindi più affidabili per la conservazione dei dati.
Il processo di lettura delle informazioni archiviate negli spin funziona all’esatto contrario: gli spin, una volta trasferiti dai protoni agli elettroni mediante onde radio, vengono convertiti in variazioni di corrente e quindi in dati "convenzionali".

Affidabilità spintronica
Il risultato ottenuto da McCamey e dal suo staff, costruendo una sorta di ponte tra l’elettronica convenzionale e la meccanica quantistica, apre la strada a una nuova disciplina: la spintronica. "In pratica non abbiamo fatto altro che scrivere 1 nel nucleo di un atomo. Abbiamo dimostrato di poter leggere ripetutamente questo dato per 112 secondi prima che il nucleo di fosforo perda le informazioni di spin. In un tempo molto più breve di questo i fisici sono riusciti a leggere e rileggere lo stesso dato ben 2000 volte, dimostrando così che la lettura dello spin non lo deteriora. E questo rende la memoria affidabile" spiega Boehme.
Ma 112 secondi non saranno un po’ pochi per definire affidabile la memoria di un computer? "No" dice Boehme "la memoria DRAM di un comume pc conserva le informazioni per pochi millisecondi, poi vengono ri-scritte di nuovo. E in questo modo l’informazione si conserva".

16 dicembre 2010
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