I quantum computer richiedono un raffreddamento estremo per eseguire calcoli affidabili. Una delle sfide che impedisce ai computer quantistici di entrare nella società è la difficoltà di raffreddare i qubit a temperature prossime allo zero assoluto. Ora i ricercatori della Chalmers University of Technology, in Svezia, e dell’Università del Maryland, negli Stati Uniti, hanno progettato un nuovo tipo di refrigeratore in grado di raffreddare autonomamente i qubit superconduttori a temperature da record, 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, IA e logistica. Mentre gli elementi costitutivi di un di un computer classico – i bit – possono assumere il valore di 0 o 1, i blocchi più comuni dei computer quantistici – i qubit – possono assumere contemporaneamente il valore di 0 e 1. Il fenomeno è chiamato sovrapposizione ed è uno dei motivi per cui un computer quantistico può eseguire calcoli in parallelo, con un enorme potenziale di calcolo. Tuttavia, il tempo che un computer quantistico può dedicare a un calcolo è ancora notevolmente limitato, perché passa molto tempo a correggere gli errori.
“I Qubit, i mattoni di un quantum computer, sono ipersensibili al loro ambiente. Anche un’interferenza elettromagnetica estremamente debole che trapeli nel computer potrebbe capovolgere il valore del qubit in modo casuale, causando errori, causando errori e, di conseguenza, ostacolando la computazione quantistica”, spiega Aamir Ali, research specialist in quantum technology alla Chalmers University of Technology.
Oggi, molti computer quantistici si basano su circuiti elettrici superconduttori che hanno una resistenza pari a zero e quindi conservano molto bene le informazioni. Affinché i qubit funzionino senza errori e per periodi più lunghi in un sistema di questo tipo, devono essere raffreddati a una temperatura vicina allo zero assoluto, equivalente a -273,15 gradi Celsius o zero Kelvin, l’unità di misura scientifica della temperatura. Il freddo estremo porta i qubit nel loro stato a più bassa energia, 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. Quanto più un sistema si avvicina allo zero assoluto, tanto più è difficile un ulteriore raffreddamento. Infatti, secondo le leggi della termodinamica, nessun processo finito può raffreddare un sistema fino allo zero assoluto.
Ora, i ricercatori della Chalmers University of Technology e dell’Università del 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 pubblicato sulla rivista Nature Physics.
“Il quantum refrigerator si basa su circuiti superconduttori ed è alimentato dal calore dell’ambiente. Può raffreddare il qubit target a 22 millikelvin, senza alcun controllo esterno. Questo apre la strada per calcoli quantistici più affidabili e privi di errori che richiedono un minor sovraccarico hardware”, afferma Aamir Ali, autore principale dello studio, che prosegue: “Con questo metodo, siamo stati in grado di aumentare la probabilità del qubit di trovarsi allo stato ground prima della computazione al 99,97%, un risultato significativamente migliore rispetto a quello che potevano ottenere le tecniche precedenti, ovvero tra il 99,8 e il 99,92%. Questa potrebbe sembrare una piccola differenza, ma quando si eseguono più calcoli, si trasforma in un importante aumento delle prestazioni nell’efficienza dei quantum computer”.
Il refrigeratore sfrutta le interazioni tra diversi qubit, in particolare tra il qubit target da raffreddare e i due qubit utilizzati per il raffreddamento. Accanto a uno dei qubit, un ambiente caldo è progettato per fungere da bagno termico. Il bagno termico caldo fornisce energia a uno dei qubit superconduttori del quantum refrigerator e alimenta il frigorifero quantistico.
“L’energia dell’ambiente termico, incanalata attraverso uno dei due qubit del quantum refrigerator, pompa il calore dal qubit target al secondo qubit del quantum refrigerator, che è freddo.
Il qubit freddo viene termalizzato in un ambiente freddo, nel quale il calore del qubit target viene infine scaricato”, spiega Nicole Yunger Halpern, NIST Physicist e Adjunct Assistant Professor of Physics and IPST presso l’Università del Maryland, USA.
Il sistema è autonomo – spiegano i ricercatori – in quanto, una volta avviato, funziona senza controllo esterno ed è alimentato dal calore che si genera naturalmente dalla differenza di temperatura tra due bagni termici.
“Il nostro lavoro è probabilmente la prima dimostrazione di una macchina termica quantistica autonoma che esegue un compito praticamente utile.
Inizialmente volevamo che questo esperimento fosse un proof of concept, quindi siamo stati piacevolmente sorpresi quando abbiamo scoperto che le prestazioni della macchina superano tutti i protocolli di reset esistenti nel raffreddare il qubit a temperature record”, afferma Simone Gasparinetti, Associate Professor alla Chalmers University of Technology e autore principale dello studio.
