I ricercatori dell’EPFL hanno sviluppato un meccanismo in grado di convertire il calore in tensione elettrica alle temperature ultrabasse dei circuiti quantici

Gli ingegneri dell’EPFL hanno sviluppato un dispositivo in grado di convertire il calore in tensione elettrica a temperature inferiori a quelle dello spazio profondo. Questa innovazione potrebbe avere un ruolo di primo piano nel progresso delle tecnologie di calcolo quantistico: i computer quantistici, infatti, possono funzionare solo a temperature estremamente basse, cosa che rende impossibile (ancora) la progettazione di dispositivi capaci di funzionare al di fuori di un laboratorio attrezzato.

I ricercatori del Laboratory of Nanoscale Electronics and Structures (LANES) dell’EPFL, guidati da Andras Kis, hanno ora fabbricato un dispositivo che non solo funziona a temperature estremamente basse, ma lo fa con un’efficienza paragonabile alle attuali tecnologie a temperatura ambiente. I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista “Nature Nanotechnology”.

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Raffreddamento: un ostacolo per lo sviluppo dei computer quantistici

I computer quantistici sono dispositivi di calcolo i cui elementi fondamentali, a partire dalle unità di informazione, si comportano secondo le leggi della meccanica quantistica, superando l’orizzonte dei dati binari e mettendo a disposizione della computazione le proprietà quantistiche dei dati. Un calcolatore quantistico opera con bit quantistici, o qubit, il cui stato può corrispondere simultaneamente a diversi valori classici, cosa che gli permette di raggiungere una velocità computazionale impressionante, non paragonabile a quella dei computer classici.

Per eseguire i calcoli quantistici, però, c’è bisogno di un ambiente estremamente protetto: le fonti di rumore possono infatti ridurre l’accuratezza del calcolo, o addirittura distruggere l’informazione quantistica, e il rumore termico è uno degli ostacoli più difficili da superare. Perciò i qubit vengono raffreddati a temperature estreme, dell’ordine dei millikelvin (quasi -273 °C), allo scopo di rallentare il movimento atomico e ridurre al minimo questo rumore.

Negli ultimi anni è diventato sempre più chiaro agli scienziati che se c’è una cosa che impedisce materialmente di portare i computer quantistici sulle nostre scrivanie questa è proprio l’infrastruttura necessaria a raffreddare i calcolatori. La ricerca si sta quindi concentrando su due possibili soluzioni: progettare sistemi in grado di funzionare a temperatura ambiente (tra cui progetti con qubit fotonici) e studiare meccanismi che permettano di ottimizzare il raffreddamento dei computer quantistici.

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Sfruttare il celeberrimo Effetto Nernst a temperature ultrabasse

Per poter realizzare sistemi quantistici più potenti, è necessario superare l’ostacolo del rumore termico generato dalle componenti elettroniche in maniera più efficiente. La maggior parte delle tecnologie attuali, spiegano i ricercatori dell’EPFL, è costretta a separare i circuiti quantistici dai loro componenti elettronici, ma questo causa rumore e inefficienze che ostacolano la realizzazione di sistemi quantistici più grandi al di fuori del laboratorio.

In questo contesto si inserisce il rivoluzionario dispositivo progettato nel Laboratory of Nanoscale Electronics and Structures (LANES): combinando l’eccellente conduttività elettrica del grafene con le proprietà semiconduttrici del seleniuro di indio, questo meccanismo dello spessore di pochi atomi si comporta come un oggetto bidimensionale, permettendo di ottenere prestazioni senza precedenti, paragonabili a quelle delle attuali tecnologie a temperatura ambiente.

Il dispositivo sfrutta l’effetto Nernst, un complesso fenomeno termoelettrico che genera una tensione elettrica quando un campo magnetico viene applicato perpendicolarmente a un oggetto a temperatura variabile (e che non è la prima volta che si prova ad applicare al regime sub-Kelvin, proprio a causa delle potenziali applicazioni nelle tecnologie quantistiche).

Convertire il calore in tensione a temperature così basse è di solito estremamente difficile, ma il nuovo dispositivo e la sua capacità di sfruttare l’effetto Nernst lo rendono possibile, colmando una lacuna critica nella tecnologia quantistica.

“Siamo i primi a creare un dispositivo che eguaglia l’efficienza di conversione delle tecnologie attuali, ma che opera ai bassi campi magnetici e alle bassissime temperature necessarie per i sistemi quantistici”, afferma il dottorando di LANES Gabriele Pasquale, “questo lavoro è davvero un passo avanti“.

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Un risultato che può rivoluzionare i sistemi di raffreddamento

La soluzione individuata dagli ingegneri dell’EPFL è nella natura bidimensionale del dispositivo, che consente di controllare elettricamente l’efficienza di questo meccanismo anche a temperature ultrabasse. Gli esperimenti hanno previsto l’utilizzo di un laser come fonte di calore e di un refrigeratore a diluizione specializzato per raggiungere i 100 millikelvin, una temperatura ancora più fredda dello spazio profondo.

“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”, spiega Pasquale, “nei sistemi di calcolo quantistico, attualmente non esiste un meccanismo che impedisca al calore di disturbare i qubit. Il nostro dispositivo potrebbe fornire questo necessario raffreddamento“.

Fisico di formazione, Pasquale sottolinea che questa ricerca è significativa perché fa luce sulla conversione di potenza termica a basse temperature, un fenomeno finora poco esplorato. Data l’elevata efficienza di conversione e l’uso di componenti elettronici potenzialmente producibili, il team di LANES ritiene inoltre che il proprio dispositivo possa essere già integrato nei circuiti quantistici a bassa temperatura esistenti.

“Questi risultati rappresentano un importante progresso nella nanotecnologia e sono promettenti per lo sviluppo di tecnologie di raffreddamento avanzate, essenziali per il calcolo quantistico a temperature millikelvin“, afferma Pasquale. “Crediamo che questo risultato possa rivoluzionare i sistemi di raffreddamento per le tecnologie future“.

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