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Un nuovo tipo di nanorefrigeratore

30.05.2017

I computer classici hanno bisogno di ventole o sistemi più potenti per dissipare il loro calore, ma i computer quantistici necessitano ancora di più di un raffreddamento di alta qualità. A differenza dei bit di informazione su cui operano i computer tradizionali, i bit quantistici possono trovarsi in un altro stato, il cosiddetto stato di sovrapposizione, quando il loro valore è sia 0 che 1 contemporaneamente. Per rimanere a lungo in un tale stato quantistico, i qubit devono essere isolati il più possibile dall'ambiente, perché la minima interferenza dall'esterno porterà a un cambiamento nello stato quantistico e causerà errori nei calcoli quantistici. E i qubit, che sono isolati al massimo dall'ambiente, si riscaldano durante il funzionamento e richiedono un raffreddamento costante.

Per risolvere il problema del raffreddamento dei qubit nei sistemi di calcolo quantistico, Mikko Mottonen e colleghi dell'Università di Aalto, in Finlandia, hanno sviluppato un dispositivo di raffreddamento autonomo primo nel suo genere. Questo dispositivo è versatile, può essere utilizzato non solo nei computer quantistici, ma anche in qualsiasi altro dispositivo che utilizzi le strane leggi e i principi della meccanica quantistica.

La base del dispositivo di raffreddamento è una barriera energetica che separa due canali, uno dei quali è in uno stato di superconduttività, conducendo elettroni senza resistenza, e il secondo canale è ordinario, con resistenza elettrica, che rallenta gli elettroni durante il movimento. Solo gli elettroni con un'energia sufficientemente elevata possono saltare oltre la barriera ed entrare nell'autostrada superconduttrice, che li porta all'esterno del dispositivo, il resto degli elettroni viene lasciato "spingere ai margini".

Ma non tutti gli elettroni a bassa energia sono destinati alla "vegetazione eterna" in un circuito con conduttività ordinaria. Alcuni di loro hanno una probabilità abbastanza alta di catturare un fotone di luce che circola in un risonatore vicino. In questo caso, l'elettrone acquisisce l'energia necessaria per completare il salto e il risonatore, perdendo energia, viene raffreddato a una temperatura inferiore.

Il principio di funzionamento di un tale frigorifero è molto simile a un ipotetico fenomeno chiamato Maxwell's Demon. Solo a differenza del demone di Maxwell, il "demone" del nano-frigorifero spinge più elettroni "caldi" nel canale superconduttore e nell'area di lavoro del frigorifero rimangono elettroni freddi a bassa energia, che assorbono efficacemente energia dall'ambiente.

Il prossimo passo che gli scienziati intendono compiere sarà quello di combinare un nanorefrigeratore con un vero qubit. Dopodiché, i ricercatori scopriranno se l'efficienza di questo frigorifero è sufficiente per raffreddare bene il qubit e mantenerlo in un certo stato quantistico per lungo tempo.

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