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Un motore superconduttore potrebbe sbloccare i computer quantistici
Un gruppo della Aalto University ha costruito e fatto funzionare il primo motore termico quantistico ciclico basato su componenti superconduttori. Il dispositivo usa una minuscola quantità di calore per produrre ripetutamente lavoro in condizioni vicine allo zero assoluto. Il risultato mostra che un ciclo termodinamico completo può essere riprodotto dentro un circuito quantistico. In prospettiva, motori integrati di questo tipo potrebbero semplificare l'hardware necessario per controllare computer quantistici molto grandi.
L'esperimento unisce due descrizioni fisiche normalmente applicate a scale diverse. La termodinamica studia il trasferimento di calore e la conversione dell'energia nei sistemi macroscopici, mentre la meccanica quantistica introduce fenomeni come sovrapposizione, tunneling ed entanglement. Il gruppo guidato da Mikko Möttönen ha collegato questi ambiti realizzando un motore nanofabbricato con circuiti superconduttori. Lo studio è stato pubblicato su Nature Communications.
Il cuore del dispositivo è un qubit transmon accoppiato a un risonatore e a un frigorifero quantistico. Quest'ultimo può essere regolato per scaldare oppure raffreddare il qubit, sostituendo i due ambienti termici separati richiesti da un motore convenzionale. Attraverso impulsi di controllo accuratamente sincronizzati, i ricercatori hanno riprodotto un ciclo Otto, lo stesso schema termodinamico impiegato in molti motori a combustione.
Le misure dello stato del qubit hanno indicato che il calore trasferito durante i cicli generava lavoro positivo, inteso come energia utile nel bilancio termodinamico e non come rotazione di un albero meccanico. Il risultato si colloca nel confronto tra annunci quantistici e verifiche sperimentali che abbiamo già affrontato: qui la dimostrazione riguarda un dispositivo circoscritto, ma introduce una funzione concreta per la futura computazione quantistica.
La conseguenza più interessante riguarda la lettura e il controllo di sistemi con molti qubit. La strategia finlandese per le tecnologie quantistiche punta a una macchina con mille qubit logici entro il 2035, un traguardo che, secondo il gruppo, potrebbe richiedere centinaia di migliaia di qubit fisici. Con le architetture attuali servirebbero milioni di cavi a microonde, costosi e capaci di introdurre rumore nel sistema criogenico.
Un motore autonomo integrato nel chip potrebbe contribuire alla lettura dei qubit senza trasportare ogni impulso dalle temperature di pochi millikelvin fino all'elettronica a temperatura ambiente. Ridurre le connessioni fisiche significherebbe contenere ingombro, costo e disturbi, tre ostacoli centrali nella scalabilità dell'hardware quantistico. L'esperimento è stato condotto utilizzando OtaNano, l'infrastruttura nazionale finlandese dedicata alle nanotecnologie e alle tecnologie quantistiche.
Il dispositivo resta però una prova di principio operata in un criostato e mediante impulsi esterni accuratamente controllati. I ricercatori devono ancora migliorarne il progetto e trasformarlo in un motore realmente autonomo, verificando che possa essere integrato senza degradare la coerenza dei qubit. Lo studio non dimostra quindi che i grandi computer quantistici possano già rinunciare ai cablaggi, né indica tempi per un impiego industriale.
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