Tecnologia
Un minuscolo “frigorifero” quantistico può garantire che i calcoli di un computer quantistico inizino senza errori, senza richiedere supervisione o nuovo hardware.
I computer quantistici potrebbero utilizzare il calore per eliminare gli errori. Un minuscolo dispositivo di raffreddamento può resettare automaticamente i componenti malfunzionanti di un computer quantistico. Le sue prestazioni suggeriscono che manipolare il calore potrebbe anche abilitare altri dispositivi quantistici autonomi.
I computer quantistici non sono ancora completamente pratici perché commettono troppi errori. Infatti, se i qubit – componenti chiave di questo tipo di computer – si surriscaldano accidentalmente e diventano troppo energetici, possono finire in uno stato errato prima ancora che il calcolo inizi. Un modo per “resettare” i qubit ai loro stati corretti è raffreddarli.
Simone Gasparinetti presso la Chalmers University of Technology in Svezia e i suoi colleghi hanno delegato questo compito a un “frigorifero” quantistico autonomo per la prima volta. I ricercatori hanno costruito due qubit e un “qutrit”, che può immagazzinare informazioni più complesse di un qubit, da minuscoli circuiti superconduttori. Il qutrit e uno dei qubit hanno formato un frigorifero per il secondo qubit target, che potrebbe eventualmente essere utilizzato per il calcolo.
I ricercatori hanno ingegnerizzato con cura le interazioni tra i tre componenti per garantire che, quando il qubit target aveva troppa energia, causando errori, il calore fluisse automaticamente fuori da esso e nei due altri elementi. Questo abbassava la temperatura del qubit target e lo resettava. Poiché questo processo era autonomo, il frigorifero qubit-e-qutrit poteva correggere gli errori senza alcun controllo esterno.
Aamir Ali, anche lui presso la Chalmers University of Technology, afferma che questo approccio al reset del qubit richiedeva meno nuovo hardware rispetto ai metodi più convenzionali e produceva risultati migliori. Senza alcuna significativa riprogettazione del computer quantistico o introduzione di nuovi cavi, lo stato iniziale del qubit era corretto il 99,97% delle volte. In confronto, altri metodi di reset tipicamente riescono solo nel 99,8%, dice.
Questo è un potente esempio di come le macchine termodinamiche – che trattano calore, energia e temperatura – possano essere utili nel regno quantistico, afferma Nicole Yunger Halpern presso il National Institute of Standards and Technology nel Maryland, che ha lavorato al progetto.
Le macchine termodinamiche convenzionali come il motore a calore hanno innescato un’intera rivoluzione industriale, ma finora la termodinamica quantistica non è stata molto pratica. “Sono interessata a rendere utile la termodinamica quantistica. Questo frigorifero quantistico autonomo, presumibilmente utile, è il nostro primo esempio,” dice Yunger Halpern.
“È bello vedere questa macchina implementata e utile. Il fatto che sia autonoma, quindi non richiede alcun controllo esterno, dovrebbe renderla efficiente e versatile,” dice Nicolas Brunner presso l’Università di Ginevra in Svizzera.
Michał Horodecki presso l’Università di Danzica in Polonia afferma che uno dei problemi più urgenti per i computer quantistici costruiti con circuiti superconduttori è assicurarsi che le macchine non si surriscaldino e successivamente commettano errori. Il nuovo esperimento apre una strada per molti progetti simili che sono stati proposti ma mai testati, come l’uso di qubit per costruire motori quantistici autonomi, dice.
I ricercatori stanno già esaminando se potrebbero costruire sul loro esperimento. Ad esempio, potrebbero creare un orologio quantistico autonomo o progettare un computer quantistico con altre funzioni guidate automaticamente dalle differenze di temperatura.