L’informatica quantistica rappresenta un punto di svolta nell’evoluzione tecnologica, promettendo di cambiare radicalmente il modo in cui elaboriamo dati complessi. Tuttavia, rimane un ostacolo importante: la necessità di raffreddare i qubit a temperature estremamente basse, vicine allo zero assoluto. Un team di ricercatori potrebbe aver trovato una soluzione a questo problema tecnico con un nuovo tipo di frigorifero quantistico.
I computer quantistici richiedono un raffreddamento estremo per eseguire calcoli affidabili. I qubit, i loro elementi fondamentali, devono essere mantenuti a temperature prossime allo zero assoluto per evitare errori di calcolo. Questa necessità di un raffreddamento intenso rappresentava un grosso ostacolo all’integrazione di queste macchine nella società. I ricercatori della Chalmers University of Technology in Svezia e dell’Università del Maryland negli Stati Uniti hanno progettato un frigorifero innovativo in grado di raffreddare autonomamente i qubit superconduttori per raggiungere temperature record.
I vantaggi dei computer quantistici
I computer quantistici hanno un immenso potenziale per trasformare diversi settori come la medicina, l’energia, la crittografia, l’intelligenza artificiale e la logistica. A differenza dei bit dei computer classici che registrano 0 o 1, i qubit possono rappresentare entrambi i valori contemporaneamente grazie alla sovrapposizione. Questa funzionalità consente ai computer quantistici di eseguire calcoli in parallelo, aumentando esponenzialmente la loro potenza di elaborazione. Tuttavia, il periodo di tempo in cui un computer quantistico può eseguire calcoli è limitato dal tempo necessario per correggere gli errori.
« I qubit, costituenti del computer quantistico, sono estremamente sensibili al loro ambiente. Anche un’interferenza elettromagnetica molto debole può modificare in modo casuale il valore del qubit, causando errori e ostacolando il calcolo quantistico. “, ha spiegato Aamir Ali, uno specialista di ricerca sulla tecnologia quantistica presso la Chalmers University of Technology.
Refrigerazione a temperature record
Attualmente, molti computer quantistici utilizzano circuiti elettrici superconduttori per ridurre al minimo la resistenza e conservare le informazioni. Per funzionare senza errori per lunghi periodi di tempo, i qubit devono essere raffreddati a circa meno 273,15 gradi Celsius, o zero Kelvin, la temperatura più bassa teoricamente possibile. Gli attuali sistemi di raffreddamento, chiamati frigoriferi a diluizione, portano i qubit a circa 50 millikelvin sopra lo zero assoluto. Tuttavia, secondo le leggi della termodinamica, raggiungere lo zero assoluto è impossibile attraverso un processo finito.
I ricercatori hanno sviluppato un nuovo tipo di frigorifero quantistico che integra i frigoriferi a diluizione e consente di raffreddare autonomamente i qubit superconduttori a temperature ancora più basse, 22 millikelvin.
« Il frigorifero quantistico si basa su circuiti superconduttori ed è alimentato dal calore ambientale. Può raffreddare il qubit target a 22 millikelvin, senza controllo esterno. Ciò apre la strada a calcoli quantistici più affidabili e meno soggetti a errori “, ha aggiunto Aamir Ali, autore principale dello studio.
Come funziona il frigorifero quantistico
Il frigorifero sfrutta l’interazione tra diversi qubit, in particolare tra il qubit da raffreddare e altri due qubit utilizzati per il raffreddamento. Accanto a uno dei qubit viene creato un ambiente caldo che funge da bagno termale caldo. Questo bagno termale trasferisce energia a uno dei qubit nel frigorifero quantistico, attivando così il sistema di raffreddamento.
« L’energia proveniente dall’ambiente termico, incanalata attraverso uno dei qubit del frigorifero quantistico, estrae il calore dal qubit target al secondo qubit del frigorifero, che è freddo. Questo qubit finale viene quindi raffreddato da un ambiente freddo, dove il calore del qubit target viene infine dissipato “, ha detto Nicole Yunger Halpern, fisica del NIST e assistente professore presso l’Università del Maryland.
Il sistema funziona in modo autonomo, senza richiedere controlli esterni, alimentato dalla differenza di temperatura tra due bagni termali.
« Il nostro lavoro è probabilmente la prima dimostrazione di una macchina termica quantistica autonoma che svolge un compito utile. Inizialmente progettata come prova di concetto, siamo rimasti piacevolmente sorpresi dalle prestazioni della macchina, che supera tutti i protocolli di ripristino esistenti per raffreddare il qubit e registrare temperature “, ha concluso Simone Gasparinetti, professore associato alla Chalmers University of Technology e co-autore principale dello studio.
Didascalia dell’illustrazione: Il nuovo frigorifero quantistico – l’oggetto quadrato al centro del qubit nell’immagine – è basato su circuiti superconduttori e alimentato dal calore ambientale. Può raffreddare autonomamente i qubit a temperature estremamente basse, aprendo la strada a computer quantistici più affidabili. Il dispositivo è stato fabbricato nel laboratorio di nanofabbricazione Myfab presso la Chalmers University of Technology, in Svezia. Credito:Chalmers University of Technology | Lovisa Håkansson
Articolo: “Il frigorifero quantistico azionato termicamente ripristina autonomamente un qubit superconduttore” / ( 10.1038/s41567-024-02708-5 ) – Chalmers University of Technology – Pubblicazione nella rivista Nature Physics
