Scoperto in Svizzera materiale bidimensionale in grado di raffreddare i computer quantistici

Oggi si sente parlare molto di informatica quantistica, ma il mondo deve ancora vedere un computer quantistico potente e pienamente operativo, in grado di eseguire calcoli su larga scala.

Uno dei motivi principali per cui non siamo riusciti a costruirne uno finora è che non abbiamo la tecnologia per mantenere i computer quantistici ben rinfrescati.

Per esempio, i qubit, l’unità fondamentale dei computer quantistici, richiedono temperature inferiori a 100 millikelvin (circa -460 °F) per funzionare. Si tratta di temperature ancora più fredde di quelle delle regioni profonde dello spazio. Tuttavia, senza raggiungere queste temperature ultra-basse, non possiamo far funzionare un sistema quantistico.

Sorprendentemente, i ricercatori dell’Istituto Federale Svizzero di Tecnologia di Losanna (EPFL) hanno sviluppato un dispositivo termoelettrico 2D di dimensioni micrometriche che può convertire in modo efficiente il calore in elettricità a temperature adatte al funzionamento dei qubit.

“Se pensiamo a un computer portatile in un ufficio freddo, il computer portatile si riscalda durante il funzionamento, facendo aumentare anche la temperatura della stanza. Nei sistemi di calcolo quantistico, attualmente non esiste un meccanismo che impedisca a questo calore di disturbare i qubit. Il nostro dispositivo potrebbe fornire questo raffreddamento necessario”, ha detto Gabriele Pasquale, ricercatore principale e dottorando all’EPFL.

Raffreddare i qubit utilizzando l’effetto Nernst

Anche se si realizza un dispositivo abbastanza potente da raffreddare i qubit, c’è un’altra grande sfida. Molti componenti elettrici che fanno funzionare i circuiti quantistici e i qubit, producono continuamente calore, rendendo difficile il mantenimento di temperature ultra-basse.

Molti metodi convenzionali di raffreddamento quantistico funzionano isolando tali componenti elettrici dal circuito quantistico. Tuttavia, questo approccio comporta risultati inefficienti che impediscono ai computer quantistici di funzionare al di fuori dei laboratori.

È interessante notare che il nuovo dispositivo 2D supera queste sfide sfruttando l’effetto Nernst, un fenomeno scoperto 127 anni fa che spiega come un campo magnetico influenzi la tensione elettrica generata dal flusso di calore in un oggetto.

Questo effetto consente al dispositivo 2D di generare in modo efficiente la tensione elettrica in un sistema quantistico in risposta alle variazioni di temperatura quando viene applicato un campo magnetico perpendicolare. Inoltre, il dispositivo è realizzato utilizzando il grafene, noto per l’elevata conduttività elettrica, e il seleniuro di indio, che offre eccellenti proprietà semiconduttrici.

Queste proprietà, combinate con l’effetto Nernst, rendono il dispositivo termoelettrico in grado di raffreddare un sistema quantistico e di gestire efficacemente il calore prodotto dai componenti del suo circuito quantistico.

“Siamo i primi a creare un dispositivo che corrisponde all’efficienza di conversione delle tecnologie attuali, ma che funziona ai bassi campi magnetici e alle bassissime temperature necessarie per i sistemi quantistici. Questo lavoro è davvero un passo avanti”, ha detto Pasquale.

Test del dispositivo termoelettrico

I ricercatori hanno eseguito un interessante esperimento per verificare se il loro dispositivo 2D potesse far funzionare in modo efficiente un sistema a temperature estremamente basse, quando il sistema è esposto a una fonte di riscaldamento.

Hanno utilizzato il loro dispositivo con un frigorifero a diluizione con una temperatura stabile di 100 millikelvin (la temperatura a cui lavorano i qubit) e poi hanno usato un laser per riscaldare il sistema. Il dispositivo 2D è riuscito a trasformare il calore in elettricità a temperature così basse.

“Il nostro studio presenta la dimostrazione di un dispositivo termoelettrico di dimensioni micrometriche che sfrutta l’effetto Nernst fotoindotto, mostrando prestazioni eccezionali anche a temperature ultrabasse di 100 mK, che in precedenza erano irraggiungibili”, notano i ricercatori.

Questo esperimento dimostra che è davvero possibile realizzare le tecnologie di raffreddamento che fanno funzionare un sistema quantistico. Speriamo che questo interessante sviluppo ci avvicini ad applicazioni di calcolo quantistico fattibili e scalabili.

Lo studio è pubblicato sulla rivista Nature Nanotechnology.