Raffreddare i qubit con la misura quantistica

Un team fiorentino ha trovato il meccanismo che permette il raggiungimento di temperature bassissime. Le stesse che rendono possibile il funzionamento dei computer quantistici. La ricerca è stata pubblicata dalla rivista Physical Review Letters.
Qubit in work, computer generated abstract background, 3D rendering - Archivio fotografico 123rf.com - Riproduzione riservata

Hanno individuato un meccanismo in grado di abbassare la temperatura fino a raggiungere le condizioni ideali per il funzionamento dei computer quantistici, i super calcolatori che sfruttano le leggi della meccanica quantistica, ottenendo prestazioni di gran lunga superiori agli elaboratori più avanzati. Sono un gruppo di giovani studiosi del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Ateneo fiorentino e dell’Istituto dei Sistemi Complessi del CNR, coordinato da Michele Campisi, che hanno realizzato un’indagine pubblicata dalla rivista Physical Review Letters 

“Nella fisica quantistica – spiega Campisi – il confine tra oggetto e soggetto è molto labile, perché nel momento in cui un ipotetico soggetto osserva un oggetto ne cambia i connotati o può perfino distruggerlo. Ad esempio quando un sensore CCD della fotocamera del nostro smartphone rileva un fotone, nel rilevarlo lo distrugge. In altre parole: a livello nanoscopico, dove le leggi della meccanica quantistica fanno da padrone, il processo di osservazione, o più propriamente di misura, è molto invasivo”.

La figura illustra il principio di funzionamento della macchina frigorifera. Durante il processo di misura il corpo della macchina riceve energia dall’apparato di misura e la impiega per prelevare calore dal corpo freddo e cederlo a quello caldo. In questo modo il corpo freddo viene ulteriormente raffreddato.

Il primo aspetto rilevante della ricerca fiorentina è che l’osservazione, sebbene sia invasiva, può essere anche utile. “La nostra indagine – aggiunge Campisi – ha evidenziato che, proprio perché invasivo, il processo di misura può essere usato per cedere energia all’oggetto osservato. Da qui l’idea: se l’oggetto che osservo è una macchina nanoscopica, le posso fornire carburante semplicemente osservandola”.

“Abbiamo applicato quest’idea al problema della refrigerazione dei qubit. I qubit sono i componenti fondamentali dei computer quantistici e per poter operare devono essere mantenuti a temperature prossime allo zero assoluto (-273°C). Abbiamo quindi ideato e progettato una macchina nanoscopica che, sottoposta ad osservazione, è in grado di estrarre energia, cioè calore, dai qubit di un computer quantistico per mantenerli freddi. La stessa cosa accade con il frigorifero di casa, si estrae energia dai cibi contenuti nel frigo, in modo da mantenerli freddi: la differenza è che il frigo di casa è alimentato dalla corrente elettrica mentre il nostro frigorifero quantistico è alimentato dal solo processo di osservazione dello stesso”.

Gli aspetti più innovativi della ricerca risiedono dunque nell’aver compreso che l’osservazione può essere una sorgente di energia e nell’aver individuato il meccanismo che rende possibile lo sfruttamento dell’energia dato dall’apporto della misura nella fisica quantistica.

Lo studio al momento ha un carattere teorico, ma presenta già una chiara funzionalità applicativa. “Il corpo del nostro frigorifero quantistico è esso stesso composto da qubit, esattamente dello stesso tipo dei qubit dei calcolatori quantistici che si vogliono raffreddare; quindi lo si può naturalmente integrare nei microchip quantistici già esistenti, usando la stessa tecnologia che già è a disposizione. Il nostro lavoro ha mostrato non solo che la cosa si può fare ma ha fornito indicazioni pratiche su come realizzarla”.

 


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