Roma – I ricercatori della Chalmers University of Technology, Svezia, e della University of Maryland, USA, hanno progettato un nuovo tipo sistema di raffreddamento in grado di raffreddare autonomamente i qubit superconduttori aprendo la strada a un calcolo quantistico più affidabile.
I computer quantistici hanno il potenziale per rivoluzionare le tecnologie fondamentali in vari settori della società, con applicazioni in medicina, energia, crittografia, intelligenza artificiale e logistica. Mentre i mattoni di un computer classico, i bit, possono assumere un valore di 0 o 1, i mattoni più comuni nei computer quantistici, i qubit, possono avere un valore di 0 e 1 contemporaneamente. Il fenomeno è chiamato sovrapposizione ed è uno dei motivi per cui un computer quantistico può eseguire calcoli paralleli, con conseguente enorme potenziale computazionale. Tuttavia, il tempo in cui un computer quantistico può lavorare su un calcolo è ancora significativamente limitato, perché impiega molto tempo a correggere gli errori.
“I qubit, i mattoni di un computer quantistico, sono ipersensibili al loro ambiente. Anche un’interferenza elettromagnetica estremamente debole che si infiltra nel computer potrebbe capovolgere casualmente il valore del qubit, causando errori e ostacolando di conseguenza il calcolo quantistico”, afferma Aamir Ali, specialista di ricerca in tecnologia quantistica presso la Chalmers University of Technology.
Oggi, molti computer quantistici si basano su circuiti elettrici superconduttori che hanno resistenza zero e quindi conservano molto bene le informazioni. Affinché i qubit funzionino senza errori e per periodi più lunghi in un tale sistema, devono essere raffreddati a una temperatura vicina allo zero assoluto, equivalente a meno 273,15 gradi Celsius o zero Kelvin, l’unità scientifica di temperatura. Il freddo estremo porta i qubit nel loro stato di energia più bassa, lo stato fondamentale, equivalente al valore 0, un prerequisito per avviare un calcolo.
I sistemi di raffreddamento utilizzati oggi, i cosiddetti frigoriferi a diluizione, portano i qubit a circa 50 millikelvin sopra lo zero assoluto. Più un sistema si avvicina allo zero assoluto, più difficile è un ulteriore raffreddamento. Infatti, secondo le leggi della termodinamica, nessun processo finito può raffreddare alcun sistema fino allo zero assoluto. Ora, i ricercatori della Chalmers University of Technology e della University of Maryland hanno costruito un nuovo tipo di frigorifero quantistico che può integrare il frigorifero a diluizione e raffreddare autonomamente i qubit superconduttori a temperature record. Il frigorifero quantistico è descritto in un articolo sulla rivista Nature Physics.
“Il frigorifero quantistico si basa su circuiti superconduttori ed è alimentato dal calore dell’ambiente. Può raffreddare il qubit target a 22 millikelvin, senza controllo esterno. Ciò apre la strada a calcoli quantistici più affidabili e privi di errori che richiedono un sovraccarico hardware minore”, afferma Aamir Ali, autore principale dello studio e continua:
“Con questo metodo, siamo stati in grado di aumentare la probabilità del qubit di essere nello stato fondamentale prima del calcolo al 99,97 percento, che è significativamente migliore di quanto le tecniche precedenti potessero ottenere, ovvero tra il 99,8 e il 99,92 percento. Questa potrebbe sembrare una piccola differenza, ma quando si eseguono più calcoli, si trasforma in un importante aumento delle prestazioni nell’efficienza dei computer quantistici”.
Il frigorifero sfrutta le interazioni tra diversi qubit, in particolare tra il qubit target da raffreddare e due bit quantici utilizzati per il raffreddamento. Accanto a uno dei qubit, è stato progettato un ambiente caldo che funge da bagno termico caldo. Il bagno termico caldo fornisce energia a uno dei qubit superconduttori del frigorifero quantico e alimenta il frigorifero quantico.
“L’energia dall’ambiente termico, incanalata attraverso uno dei due qubit del frigorifero quantistico, pompa calore dal qubit target nel secondo qubit del frigorifero quantistico, che è freddo. Quel qubit freddo viene termalizzato in un ambiente freddo, in cui il calore del qubit target viene infine scaricato”, afferma Nicole Yunger Halpern, fisica del NIST e professoressa associata di fisica e IPST presso l’Università del Maryland, USA.
Il sistema è autonomo in quanto, una volta avviato, funziona senza alcun controllo esterno ed è alimentato dal calore che si sviluppa naturalmente dalla differenza di temperatura tra due bagni termali.
“Il nostro lavoro è probabilmente la prima dimostrazione di una macchina termica quantistica autonoma che esegue un compito praticamente utile. Inizialmente intendevamo questo esperimento come una prova di concetto, quindi siamo rimasti piacevolmente sorpresi quando abbiamo scoperto che le prestazioni della macchina superano tutti i protocolli di reset esistenti nel raffreddamento del qubit a temperature record”, afferma Simone Gasparinetti, professore associato presso la Chalmers University of Technology e autore principale dello studio.(30Science.com)
