Verso un hardware per computer quantistici autonomo
Gli scienziati stanno acquisendo una comprensione più chiara di come la termodinamica si comporti nel mondo quantistico, e questi progressi potrebbero giovare sia alla tecnologia quantistica sia alla nostra comprensione dei principi termodinamici a noi familiari.
I ricercatori dell’Università Aalto hanno ora compiuto un passo importante dimostrando il primo motore termico quantistico ciclico costruito all’interno di un circuito superconduttore. L’esperimento collega due branche della fisica che normalmente descrivono scale molto diverse. Come vi abbiamo già detto tante volte la meccanica quantistica spiega il comportamento della materia a scale estremamente piccole, persino inferiori alle dimensioni degli atomi, mentre la termodinamica descrive come si comportano il calore e l’energia in sistemi molto più grandi, da insiemi di molecole all’universo stesso. L’unione di queste due discipline solleva una questione fondamentale: cosa accade ai processi termodinamici a noi familiari quando entrano in gioco effetti quantistici come l’effetto tunnel, l’entanglement e la sovrapposizione?
Un motore termico progettato per il mondo quantistico
Le macchine termiche convenzionali trasformano il calore in lavoro utile. La macchina a vapore di James Watt è un famoso esempio, ma lo stesso concetto di base rimane fondamentale per i moderni trasporti e la produzione di energia elettrica, alimentando automobili, navi, aerei e numerose centrali elettriche.
I ricercatori hanno ora creato il primo motore termico quantistico superconduttore al mondo. Il dispositivo, estremamente piccolo, combina un qubit transmon, un risonatore e un frigorifero quantistico. Operando in condizioni quantistiche ultrafredde, il motore è stato in grado di utilizzare la minima quantità di calore disponibile per produrre ripetutamente lavoro positivo. Raggiungere questo tipo di funzionamento ciclico è stato un obiettivo importante per i ricercatori che lavorano sui motori termici quantistici. Il risultato fornisce una prova per i motori termici superconduttori che potrebbero in futuro contribuire al miglioramento della tecnologia del calcolo quantistico.
Ricreare un ciclo Otto vicino allo zero assoluto
Per far funzionare il motore, i ricercatori hanno riprodotto un ciclo Otto all’interno di un circuito superconduttore. Il ciclo Otto è un processo termodinamico utilizzato anche nei motori delle automobili e in altre macchine convenzionali. “Nel nostro esperimento, abbiamo costruito un motore termico nanofabbricato utilizzando circuiti superconduttori e lo abbiamo fatto funzionare in un criostato vicino allo zero assoluto. Il suo cuore pulsante è un qubit transmon, uno dei componenti fondamentali delle moderne tecnologie quantistiche”, afferma Tuomas Uusnäkki, primo autore dello studio (questo qbit è quasi infallibile).
I ricercatori hanno collegato il qubit transmon a un frigorifero a circuito quantistico, consentendo loro di controllare il flusso di calore su scala quantistica e di dimostrare che questo calore poteva essere trasformato in lavoro misurabile. Un motore termico convenzionale si basa normalmente su ambienti caldi e freddi separati. In questo sistema, invece, lo stesso frigorifero quantistico può fornire sia riscaldamento che raffreddamento.
“Il nostro frigorifero a circuito quantistico può essere regolato sia per riscaldare che per raffreddare il qubit a seconda delle necessità. Utilizzando impulsi di controllo temporizzati con precisione, abbiamo azionato il motore in un ciclo Otto e monitorato lo stato del qubit durante il suo funzionamento”, spiega Uusnäkki. Le misurazioni hanno dimostrato che il calore che attraversava il qubit durante il ciclo produceva lavoro positivo.
“Questa è la prima dimostrazione sperimentale di un motore termico quantistico ciclico in circuiti superconduttori. L’utilizzo di un singolo frigorifero quantistico controllabile sia come ambiente caldo che come ambiente freddo del motore lo rende più semplice e versatile”, afferma Uusnäkki.
Verso un hardware per computer quantistici autonomo
I ricercatori stanno ora cercando di migliorare il design e, in futuro, di sviluppare un motore termico completamente autonomo. Un possibile utilizzo potrebbe essere la lettura dei qubit senza dover trasmettere un impulso a microonde da temperature di millikelvin fino alla temperatura ambiente.
Questa capacità potrebbe rivelarsi particolarmente preziosa con la crescita dei computer quantistici. Dispositivi autonomi integrati direttamente nei circuiti superconduttori potrebbero ridurre sia i costi che la complessità delle macchine contenenti un numero molto elevato di qubit. Intanto questo è il processore quantistico più potente mai creato.