Nei laboratori di nanotecnologia dell'Università tecnologica di Chalmers, in Svezia, un team di ricercatori ha sviluppato un dispositivo che sfida uno dei paradossi più ostinati della computazione quantistica: il rumore termico generato dai sistemi di raffreddamento necessari al funzionamento dei computer quantistici può diventare, anziché un nemico, un alleato prezioso. La ricerca, pubblicata su Nature Communications, presenta un "frigorifero quantistico" in grado di sfruttare le fluttuazioni casuali come forza motrice per controllare con precisione estrema il flusso di calore ed energia nei circuiti superconduttori. Un approccio che potrebbe aprire la strada a sistemi quantistici su larga scala finalmente affidabili e stabili.
Il problema alla base è noto da tempo alla comunità scientifica: i computer quantistici basati su circuiti superconduttori richiedono temperature prossime allo zero assoluto, circa -273 gradi Celsius, per consentire agli elettroni di muoversi senza resistenza e permettere la formazione di stati quantistici stabili nei qubit, le unità fondamentali dell'informazione quantistica. A queste temperature estreme, qualsiasi minima perturbazione termica o elettromagnetica può cancellare irreversibilmente le informazioni memorizzate. Gli stessi sistemi di raffreddamento, paradossalmente, introducono rumore che interferisce con gli stati quantistici fragili che dovrebbero proteggere.
Simon Sundelin, dottorando in tecnologia quantistica presso Chalmers e primo autore dello studio, spiega che la comprensione dei percorsi attraverso cui l'energia viene trasportata e dissipata rappresenta il limite ultimo di molti dispositivi quantistici. La capacità di misurare questi flussi consente di progettare sistemi in cui il calore diventa prevedibile, controllabile e persino utile. Il dispositivo sviluppato dal team svedese trasforma questa intuizione in realtà sperimentale attraverso una configurazione ingegnosa: una molecola artificiale superconduttrice fabbricata nel laboratorio di nanofabbricazione Myfab di Chalmers.
A differenza delle molecole naturali composte da atomi, questa struttura è costituita da minuscoli circuiti elettrici superconduttori che ne riproducono il comportamento. La molecola artificiale è connessa a multipli canali a microonde che fungono da serbatoi termici caldi e freddi. Il punto cruciale dell'innovazione risiede nell'introduzione controllata di rumore a microonde attraverso una terza porta: fluttuazioni casuali del segnale entro un intervallo di frequenza ristretto che guidano il trasporto di calore tra i serbatoi attraverso la molecola artificiale.
La realizzazione sperimentale si avvicina come mai prima d'ora a un fenomeno teorico da tempo ipotizzato dai fisici: la refrigerazione browniana. Simone Gasparinetti, professore associato a Chalmers e autore senior dello studio, sottolinea che l'idea di sfruttare fluttuazioni termiche casuali per produrre un effetto refrigerante era rimasta nel campo delle speculazioni teoriche. Il dispositivo presentato nello studio rappresenta la realizzazione più fedele di questo concetto mai ottenuta in laboratorio.
Regolando con precisione le temperature dei serbatoi e monitorando i flussi termici microscopici, il frigorifero quantistico può operare in modalità diverse a seconda delle condizioni: funzionare come refrigeratore vero e proprio, agire come motore termico o amplificare il trasporto termico. Questo livello di controllo assume particolare rilevanza nei sistemi quantistici di dimensioni maggiori, dove il calore viene prodotto localmente durante le operazioni sui qubit e le misurazioni. La capacità di gestire quel calore direttamente all'interno dei circuiti quantistici potrebbe migliorare stabilità e prestazioni in modi inaccessibili ai sistemi di raffreddamento convenzionali.
Aamir Ali, ricercatore in tecnologia quantistica presso Chalmers e coautore dello studio, evidenzia come la possibilità di rimuovere o reindirizzare il calore a questa scala minuscola rappresenti un passo importante verso circuiti quantistici più affidabili e robusti. L'approccio non si limita a mitigare un problema tecnico, ma trasforma attivamente il rumore da ostacolo a risorsa operativa, invertendo il paradigma dominante nella progettazione di sistemi quantistici.
Il lavoro si inserisce nel contesto degli sforzi internazionali per superare le barriere tecniche che separano i prototipi di laboratorio dalle applicazioni pratiche della tecnologia quantistica, che spaziano dalla scoperta di farmaci all'intelligenza artificiale, dall'ottimizzazione logistica alle comunicazioni sicure. Il finanziamento della ricerca è stato fornito dal Consiglio svedese per la ricerca, dalla Fondazione Knut e Alice Wallenberg attraverso il Wallenberg Centre for Quantum Technology, dal Consiglio europeo della ricerca e dall'Unione europea, testimoniando l'importanza strategica attribuita a questo campo di indagine.
La prossima sfida consisterà nell'integrare questi frigoriferi quantistici miniaturizzati in architetture più complesse, testando la scalabilità dell'approccio e verificando se il controllo termico a livello locale possa effettivamente tradursi in computer quantistici di dimensioni pratiche, finalmente capaci di mantenere la coerenza quantistica necessaria per risolvere problemi computazionali al di là della portata dei sistemi classici.
