Refrigerazione nei computer quantistici: come funziona?

Un’adeguata refrigerazione nei computer quantistici è cruciale per consentire il corretto andamento di tali apparecchi, i quali rappresentano ormai una delle innovazioni più promettenti del nostro tempo. Essi hanno infatti la potenzialità di rivoluzionare settori cruciali come la medicina, l’energia, la crittografia e l’intelligenza artificiale.

La loro maggiore peculiarità deriva dal concetto di qubit, l’unità di base che si distingue dai tradizionali bit dei calcolatori classici. A differenza di questi ultimi, capaci di rappresentare solo uno stato alla volta (0 o 1), i qubit sfruttano il principio della sovrapposizione quantistica, che gli consente di esistere simultaneamente in più stati.

Il funzionamento di tali calcolatori richiede tuttavia delle caratteristiche ambientali molto particolari, tra cui il cosiddetto raffreddamento a temperature vicine allo zero assoluto (che corrisponde a -273,15 °C): una condizione fondamentale per ridurre gli errori e stabilizzare i calcoli.

Il ruolo della refrigerazione nei sistemi quantistici

La necessità di temperature estremamente basse nei computer quantistici deriva prima di tutto dalle proprietà fisiche dei circuiti superconduttori utilizzati nella costruzione dei qubit. In queste condizioni, i circuiti non presentano alcuna resistenza elettrica, caratteristica che permette la conservazione delle informazioni per periodi prolungati (a temperature più elevate, invece, i fenomeni di disturbo ambientale interferiscono con i qubit e rischiano di causare errori che potrebbero rendere inutilizzabile il sistema).

Oggi, per raggiungere le suddette temperature, i calcolatori basati sui quanti si affidano in primis ai frigoriferi a diluizione: macchine altamente specializzate, che riescono a portare i qubit a circa 50 milliKelvin (mK) sopra lo zero assoluto. Avvicinarsi ulteriormente allo zero Kelvin rappresenta una sfida ingegneristica notevole, in quanto ogni riduzione di grado richiede un maggiore consumo di energia e tecnologie sempre più sofisticate. Le leggi della termodinamica stabiliscono infatti che ad oggi è impossibile raggiungere lo zero assoluto in un sistema finito: limite che necessita di soluzioni innovative per migliorare l’efficienza dei sistemi di raffreddamento.

Un nuovo tipo di frigorifero quantistico

Di recente, i ricercatori della Chalmers University of Technology e dell’Università del Maryland hanno progettato un frigorifero quantistico autonomo, volto a portare i qubit a temperature record, superando i limiti delle tecniche tradizionali di refrigerazione dei computer quantistici.

Tale approccio integra i frigoriferi a diluizione già esistenti e sfrutta un’architettura innovativa basata su circuiti superconduttori. Il dispositivo si distingue per la capacità di operare in modo indipendente (senza bisogno di interventi esterni), grazie al calore ambientale che funge da fonte di energia.

Il principio alla base di questo frigorifero è il trasferimento di calore tra diversi qubit. Il sistema si compone di tre qubit: uno è il qubit target da raffreddare, mentre gli altri due agiscono come componenti del frigorifero.

Attraverso l’interazione tra questi tre elementi, il calore viene trasferito dal qubit target verso uno dei qubit ausiliari, che lo dissipa in un ambiente freddo. Il processo descritto è guidato da un gradiente termico autonomo, alimentato dalla differenza di temperatura tra due bagni termali (uno caldo e uno freddo).

L’apparecchio appena descritto rappresenta di certo un notevole passo avanti per la refrigerazione dei computer quantistici, grazie a diverse caratteristiche uniche che vale la pena di analizzare nel dettaglio:

1. autonomia: una volta avviato, il sistema opera senza bisogno di input esterni, rendendolo altamente efficiente. Tale autonomia è garantita dall’energia generata dalla differenza di temperatura tra i bagni termali;
2. temperature record: il dispositivo è in grado di portare il qubit target a temperature di 22 milliKelvin, significativamente inferiori rispetto a quelle ottenibili con i frigoriferi a diluizione tradizionali;
3. efficienza energetica: mediante la sua capacità di sfruttare il calore dell’ambiente, il frigorifero riduce il consumo energetico complessivo, il che contribuisce a diminuire il sovraccarico hardware richiesto per mantenere i sistemi a basse temperature;
4. applicazioni pratiche: tale tecnologia non si limita a una dimostrazione di principio, ma si rivela utile per migliorare la precisione e l’affidabilità dei calcoli quantistici. Ciò apre la strada a nuove applicazioni nel campo dell’elaborazione delle informazioni.

Funzionamento del sistema e possibili implicazioni future

Il processo di raffreddamento del frigorifero quantistico si basa su un’interazione a tre corpi. Ogni qubit ausiliario è collegato a un bagno di calore fisico attraverso una guida d’onda a microonde. Il bagno caldo fornisce energia a uno dei qubit del frigorifero, che la utilizza per trasferire il calore dal qubit target al secondo qubit ausiliario.

Quest’ultimo, a sua volta, disperde il calore nell’ambiente freddo, completando il ciclo. Tale metodo sfrutta le proprietà quantistiche dei qubit per ottenere un raffreddamento più efficiente rispetto ai metodi convenzionali.

Un aspetto interessante è che il sistema combina i principi della termodinamica classica con quelli della meccanica dei quanti, rappresentando una delle prime applicazioni pratiche delle macchine termiche quantistiche. Secondo i ricercatori, la tecnologia in questione potrebbe essere ancora più sviluppata per esplorare nuove frontiere nella fisica subatomica e nell’elaborazione delle informazioni.

Alla luce di quanto fin qui affermato, è quindi corretto ipotizzare che l’introduzione della nuova tipologia di dispositivi per la refrigerazione dei computer quantistici possiede le potenzialità utili ad aprire nuove prospettive per il futuro di tali apparecchi.

La capacità di raffreddare i qubit a temperature così basse aumenta la stabilità e la precisione dei calcoli e, al contempo, riduce in maniera significativa la probabilità di errori. Questo progresso potrebbe accelerare l’adozione dei computer quantistici in contesti pratici, rendendoli più accessibili per la ricerca scientifica, le aziende e altre istituzioni.

Inoltre, il sistema sviluppato dai ricercatori dimostra come le macchine termiche quantistiche possano essere impiegate per compiti utili, arrivando a superare in maniera tangibile i limiti delle tecnologie precedenti.

Sebbene le macchine termiche classiche abbiano alimentato la rivoluzione industriale, questa innovazione segna un passo importante verso una nuova era in cui le tecnologie quantistiche potrebbero diventare il motore delle future rivoluzioni matematiche, scientifiche e industriali.