“Materiali atomicamente sottili: la chiave per la riduzione dei qubit nella computazione quantistica”
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Materiali atomicamente sottili riducono significativamente i qubit
La computazione quantistica è una tecnologia estremamente complessa, con molte sfide tecniche che ne influenzano lo sviluppo. Di queste sfide, due questioni critiche emergono: la miniaturizzazione e la qualità dei qubit.
IBM ha adottato la roadmap dei qubit superconduttori per raggiungere un processore da 1.121 qubit entro il 2023, portando all’aspettativa che 1.000 qubit con l’attuale fattore di forma dei qubit siano fattibili. Tuttavia, gli approcci attuali richiederanno chip molto grandi (50 millimetri per lato, o più grandi) alla scala di piccole fette, o l’uso di chiplet su moduli multichip. Sebbene questo approccio funzionerà, l’obiettivo è raggiungere un percorso migliore verso la scalabilità.
Adesso i ricercatori del MIT sono stati in grado di ridurre le dimensioni dei qubit e lo hanno fatto in modo da ridurre le interferenze che si verificano tra i qubit vicini. I ricercatori del MIT hanno aumentato il numero di qubit superconduttori che possono essere aggiunti a un dispositivo di un fattore di 100.
“Stiamo affrontando sia la miniaturizzazione dei qubit che la qualità,” ha dichiarato William Oliver, direttore del Centro per l’Ingegneria Quantistica al MIT. “A differenza della scalabilità dei transistor convenzionali, dove conta solo il numero, per i qubit, grandi numeri non sono sufficienti, devono anche essere ad alte prestazioni. Sacrificare le prestazioni per il numero di qubit non è uno scambio utile nella computazione quantistica. Devono andare di pari passo.”
La chiave di questo grande aumento della densità dei qubit e della riduzione delle interferenze risiede nell’uso di materiali bidimensionali, in particolare l’isolante bidimensionale nitruro di boro esagonale (hBN). I ricercatori del MIT hanno dimostrato che pochi monolayer atomici di hBN possono essere impilati per formare l’isolante nei condensatori di un qubit superconduttore.
Come altri condensatori, i condensatori in questi circuiti superconduttori assumono la forma di un sandwich in cui un materiale isolante è interposto tra due piastre metalliche. La grande differenza per questi condensatori è che i circuiti superconduttori possono funzionare solo a temperature estremamente basse – meno di 0,02 gradi sopra lo zero assoluto (-273,15 °C).
I qubit superconduttori vengono misurati a temperature inferiori a 20 millikelvin in un frigorifero a diluizione.Nathan Fiske/MIT
In quell’ambiente, i materiali isolanti disponibili per il compito, come il biossido di silicio PE-CVD o il nitruro di silicio, presentano parecchi difetti troppo dissipativi per le applicazioni di computazione quantistica. Per aggirare questi difetti dei materiali, la maggior parte dei circuiti superconduttori utilizza i cosiddetti condensatori coplanari. In questi condensatori, le piastre sono posizionate lateralmente l’una rispetto all’altra, piuttosto che una sopra l’altra.
Come risultato, il substrato di silicio intrinseco sotto le piastre e in misura minore il vuoto sopra le piastre fungono da dielettrico del condensatore. Il silicio intrinseco è chimicamente puro e quindi presenta pochi difetti, e le dimensioni grandi diluiscono il campo elettrico alle interfacce delle piastre, il che porta a un condensatore a bassa perdita. Le dimensioni laterali di ciascuna piastra in questo design a faccia aperta finiscono per essere piuttosto grandi (tipicamente 100 per 100 micrometri) per raggiungere la capacità richiesta.
Nel tentativo di allontanarsi dalla configurazione laterale grande, i ricercatori del MIT si sono impegnati nella ricerca di un isolante che abbia pochi difetti e sia compatibile con le piastre del condensatore superconduttore.
“Abbiamo scelto di studiare l’hBN perché è l’isolante più ampiamente usato nella ricerca sui materiali 2D a causa della sua pulizia e inerzia chimica,” ha detto il coautore Joel Wang, un ricercatore scientifico nel gruppo di Ingegneria dei Sistemi Quantistici del Laboratorio di Ricerca Elettronica del MIT.
Sui lati dell’hBN, i ricercatori del MIT hanno utilizzato il materiale superconduttore 2D, diseleniuro di niobio. Uno degli aspetti più complicati della fabbricazione dei condensatori è stato lavorare con il diseleniuro di niobio, che si ossida in pochi secondi quando esposto all’aria, secondo Wang. Questo rende necessario che l’assemblaggio del condensatore avvenga in una scatola a guanto riempita con gas argon.
Sebbene questo sembrerebbe complicare la scalabilità della produzione di questi condensatori, Wang non considera questo un fattore limitante.
“Ciò che determina il fattore di qualità del condensatore sono le due interfacce tra i due materiali,” ha detto Wang. “Una volta che il sandwich è fatto, le due interfacce sono “sigillate” e non notiamo alcun degrado nel tempo quando esposte all’atmosfera.”
Questo mancato degrado è dovuto al fatto che circa il 90 percento del campo elettrico è contenuto nella struttura a sandwich, quindi l’ossidazione della superficie esterna del diseleniuro di niobio non gioca più un ruolo significativo. Questo rende alla fine l’ingombro del condensatore molto più piccolo, e spiega la riduzione delle interferenze tra i qubit vicini.
“La principale sfida per scalare la fabbricazione sarà la crescita su scala di wafer di hBN e superconduttori 2D come [diseleniuro di niobio], e come si può impilare su scala di wafer di questi film,” ha aggiunto Wang.
Wang ritiene che questa ricerca abbia dimostrato che l’hBN 2D sia un buon candidato isolante per i qubit superconduttori. Egli afferma che il lavoro preliminare svolto dal team del MIT servirà da guida per utilizzare altri materiali ibridi 2D per costruire circuiti superconduttori.
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Il Building Information Modeling (BIM) è una metodologia rivoluzionaria nel settore delle costruzioni e dell’architettura, che ha trasformato il modo in cui vengono pianificati, progettati, costruiti e gestiti edifici e infrastrutture. Il BIM è uno strumento digitale che consente di creare un modello 3D virtuale di un edificio, completo di tutte le informazioni necessarie per la sua realizzazione e manutenzione, migliorando la collaborazione tra tutte le figure coinvolte nel progetto.
In questo articolo esploreremo cos’è il BIM, come viene applicato nei progetti edilizi e quali sono i suoi principali vantaggi e sfide.
Cos’è il Building Information Modeling (BIM)?
Il BIM è una tecnologia basata su modelli 3D che consente di raccogliere, gestire e condividere tutte le informazioni relative a un progetto edilizio in un unico modello digitale. Questo modello non è solo una rappresentazione visiva dell’edificio, ma include informazioni dettagliate su ogni componente dell’opera: materiali, costi, tempi di realizzazione, impianti e sistemi strutturali, fino alla manutenzione post-costruzione.
Il BIM si distingue per la sua capacità di centralizzare i dati e facilitare il lavoro di squadra, promuovendo una collaborazione più efficiente tra architetti, ingegneri, costruttori e altri professionisti coinvolti nella progettazione e nella costruzione.
Differenza tra BIM e CAD
Sebbene a prima vista il BIM possa sembrare simile al CAD (Computer-Aided Design), la differenza fondamentale risiede nella gestione delle informazioni. Mentre i software CAD si concentrano principalmente sulla creazione di disegni 2D o 3D, il BIM incorpora dati intelligenti che riguardano ogni aspetto del ciclo di vita dell’edificio, dalla progettazione alla costruzione, fino alla gestione e manutenzione.
Con il BIM, ogni modifica apportata al modello si riflette in automatico su tutte le altre rappresentazioni e componenti collegate, rendendo il processo di progettazione e costruzione molto più integrato e fluido.
Come funziona il BIM
Il BIM opera attraverso l’uso di software specifici che permettono di creare un modello digitale tridimensionale dell’edificio, in cui ogni elemento costruttivo è associato a un insieme di dati dettagliati. Questi dati comprendono informazioni tecniche, materiali, costi, fasi di realizzazione e anche la durata prevista per ogni fase del progetto. Vediamo nel dettaglio come si articola il processo BIM:
- Progettazione 3D: la prima fase del BIM consiste nella creazione di un modello 3D dell’edificio. Questo modello viene creato utilizzando software avanzati che permettono di progettare l’intera struttura in modo virtuale, considerando ogni componente, dai muri agli impianti elettrici, dalle finestre ai pavimenti.
- Integrazione delle informazioni: il BIM non è solo una rappresentazione visiva, ma un sistema che integra tutte le informazioni necessarie al progetto. Ogni componente del modello 3D contiene dettagli tecnici e materiali, che possono includere dati sui costi, la durata della costruzione, l’efficienza energetica e le specifiche tecniche.
- Collaborazione e condivisione: uno dei principali punti di forza del BIM è la sua capacità di promuovere la collaborazione tra i vari attori coinvolti nel progetto. Architetti, ingegneri, costruttori e committenti possono accedere al modello e aggiornarlo in tempo reale, migliorando la comunicazione e riducendo il rischio di errori.
- Gestione delle fasi di costruzione: il BIM consente di pianificare ogni fase della costruzione in modo dettagliato, monitorando tempi e costi. Il modello digitale può essere utilizzato per creare una timeline dettagliata del progetto, identificando potenziali ritardi o problemi.
- Manutenzione e gestione post-costruzione: una volta terminata la costruzione, il modello BIM continua ad essere utile per la manutenzione e la gestione dell’edificio. I dati contenuti nel modello possono essere utilizzati per monitorare lo stato degli impianti, programmare interventi di manutenzione e gestire l’edificio durante tutto il suo ciclo di vita.
Applicazioni del BIM nel settore edilizio
Il BIM viene applicato in diverse fasi del processo edilizio, dalle prime fasi di progettazione fino alla gestione dell’edificio una volta completato. Ecco alcune delle principali applicazioni:
1. Progettazione architettonica
Nella fase di progettazione, il BIM permette agli architetti di creare un modello dettagliato e realistico dell’edificio. Il modello può essere condiviso con ingegneri strutturali e progettisti impiantistici, permettendo di risolvere in anticipo eventuali problematiche legate a interferenze tra elementi strutturali e impiantistici. Questo riduce il rischio di errori e migliora l’efficienza del progetto.
2. Progettazione strutturale e impiantistica
Ingegneri strutturali e impiantistici possono utilizzare il BIM per calcolare e progettare le strutture portanti e gli impianti di un edificio. Il modello BIM consente di simulare le condizioni reali a cui l’edificio sarà sottoposto, migliorando la sicurezza e ottimizzando l’utilizzo dei materiali.
3. Costruzione
Durante la fase di costruzione, il BIM viene utilizzato per pianificare e monitorare l’avanzamento dei lavori. Con il modello BIM, i responsabili di cantiere possono verificare che la costruzione proceda secondo i piani e identificare potenziali problemi prima che si verifichino.
4. Gestione del cantiere
Grazie al BIM, la gestione del cantiere diventa più efficiente, poiché il modello contiene tutte le informazioni necessarie per coordinare le attività. Questo riduce il rischio di ritardi e problemi logistici, migliorando l’efficienza operativa.
5. Manutenzione e facility management
Una volta terminata la costruzione, il modello BIM può essere utilizzato per la gestione e la manutenzione dell’edificio. Le informazioni sugli impianti, i materiali e le specifiche tecniche contenute nel modello sono preziose per programmare interventi di manutenzione e gestire l’edificio nel lungo termine.
Vantaggi del BIM
L’utilizzo del BIM offre numerosi vantaggi rispetto ai metodi tradizionali di progettazione e costruzione:
- Riduzione degli errori: grazie alla centralizzazione delle informazioni, il BIM riduce il rischio di errori e incongruenze tra i vari elementi progettuali.
- Migliore collaborazione: il BIM promuove una maggiore collaborazione tra architetti, ingegneri, costruttori e committenti, riducendo i tempi di comunicazione e aumentando l’efficienza del progetto.
- Ottimizzazione dei costi: grazie alla possibilità di simulare ogni fase della costruzione e di ottimizzare l’utilizzo dei materiali, il BIM permette di ridurre i costi complessivi del progetto.
- Sostenibilità ambientale: il BIM consente di progettare edifici più efficienti dal punto di vista energetico, contribuendo a ridurre l’impatto ambientale della costruzione.
- Manutenzione semplificata: il modello BIM continua a essere utile anche dopo la costruzione, facilitando la manutenzione e la gestione dell’edificio durante tutto il suo ciclo di vita.
Sfide nell’adozione del BIM
Nonostante i numerosi vantaggi, l’adozione del BIM presenta alcune sfide che le aziende del settore edile devono affrontare:
- Costi iniziali: implementare il BIM richiede l’acquisto di software specifici e la formazione del personale, con un investimento iniziale significativo.
- Formazione e competenze: il BIM richiede competenze tecniche avanzate, e molte aziende devono investire nella formazione del proprio personale per poter utilizzare questa tecnologia.
- Integrazione con i processi tradizionali: il passaggio dal CAD o da metodi tradizionali al BIM può richiedere un periodo di adattamento, poiché i processi devono essere ripensati e integrati con il nuovo sistema.
Il Building Information Modeling rappresenta il futuro del settore delle costruzioni, offrendo una soluzione integrata per la gestione di tutte le fasi di un progetto edilizio. Grazie alla sua capacità di centralizzare le informazioni e migliorare la collaborazione tra i vari attori coinvolti, il BIM consente di ridurre i costi, aumentare l’efficienza e migliorare la qualità degli edifici.
Nonostante le sfide legate alla sua implementazione, il BIM è destinato a diventare uno standard nel settore edile, portando a una trasformazione digitale del modo in cui vengono progettati e costruiti gli edifici del futuro.
La Teesside University ha recentemente introdotto un nuovo corso dedicato alla formazione di quantitativisti specializzati nel settore della costruzione di case. Questo programma mira a preparare professionisti in grado di gestire in modo efficiente e preciso i costi e le risorse necessarie per la realizzazione di progetti edilizi residenziali.
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