I computer quantistici richiedono un raffreddamento estremo per eseguire calcoli affidabili. Una delle sfide che impediscono ai computer quantistici di entrare nella società è la difficoltà di congelare i qubit a temperature prossime allo zero assoluto. I ricercatori della Chalmers University of Technology, in Svezia, e dell’Università del Maryland, negli Stati Uniti, hanno però progettato un nuovo tipo di frigorifero in grado di raffreddare autonomamente i qubit superconduttori a temperature record, aprendo la strada a calcoli quantistici più affidabili.
I computer quantistici hanno il potenziale per rivoluzionare le tecnologie fondamentali in vari settori della società, con applicazioni in medicina, energia, crittografia, intelligenza artificiale e logistica. Mentre gli elementi costitutivi di un computer classico – i bit – possono assumere il valore di 0 o 1, gli elementi costitutivi più comuni dei computer quantistici – i qubit – possono assumere contemporaneamente il valore di 0 e 1. Il fenomeno è chiamato superposizione ed è un fenomeno di supervisione. Esso è uno dei motivi per cui un computer quantistico può eseguire calcoli in parallelo, con un enorme potenziale di calcolo.
Oggi molti computer quantistici si basano su circuiti elettrici superconduttori che hanno una resistenza pari a zero e quindi conservano molto bene le informazioni. Affinché i qubit funzionino senza errori e per periodi prolungati in un sistema di questo tipo, devono essere raffreddati a una temperatura vicina allo zero assoluto, equivalente a -273,15 gradi Celsius o zero Kelvin, l’unità di misura scientifica della temperatura. Il freddo estremo porta i qubit nel loro stato a più bassa energia, lo stato fondamentale, equivalente al valore 0, un prerequisito per avviare un calcolo.
I sistemi di raffreddamento utilizzati oggi, i cosiddetti frigoriferi a diluizione, portano i qubit a circa 50 millikelvin sopra lo zero assoluto. Più un sistema si avvicina allo zero assoluto, più è difficile raffreddarlo ulteriormente. Infatti, secondo le leggi della termodinamica, nessun processo finito può raffreddare un sistema fino allo zero assoluto. Ora i ricercatori della Chalmers University of Technology e dell’Università del Maryland hanno costruito un nuovo tipo di frigorifero quantistico che può integrare il frigorifero a diluizione e raffreddare autonomamente i qubit superconduttori a temperature record.
«Il frigorifero quantistico si basa su circuiti superconduttori ed è alimentato dal calore dell’ambiente. Può raffreddare il qubit bersaglio a 22 millikelvin, senza alcun controllo esterno. Questo apre la strada a calcoli quantistici più affidabili e privi di errori che richiedono un minor sovraccarico hardware» afferma Aamir Ali, autore principale dello studio. Con questo metodo, i ricercatori hanno ottenuto un risultato significativamente migliore rispetto a quello che potevano ottenere le tecniche precedenti.
Il frigorifero sfrutta le interazioni tra diversi qubit, in particolare tra il qubit da raffreddare e i due qubit utilizzati per il raffreddamento. Accanto a uno dei qubit, viene creato un ambiente caldo che funge da bagno termico. Il bagno termico caldo fornisce energia a uno dei qubit superconduttori del frigorifero quantistico e alimenta il frigorifero quantistico. «L’energia dell’ambiente termico, incanalata attraverso uno dei due qubit del frigorifero quantistico, pompa il calore dal qubit bersaglio al secondo qubit del frigorifero quantistico, che è freddo. Il qubit freddo viene termalizzato in un ambiente freddo, nel quale il calore del qubit bersaglio viene infine scaricato» spiega Nicole Yunger Halpern, fisico del NIST e professoressa aggiunto di fisica e IPST presso l’Università del Maryland, USA. Il sistema è autonomo in quanto, una volta avviato, funziona senza intervento esterno ed è alimentato dal calore che si genera naturalmente dalla differenza di temperatura tra due bagni termali. Il processo, dunque, è guidato da un gradiente termico autonomo, senza input esterni. Il frigorifero sfrutta un’interazione a tre corpi tra il qubit target e due qubit ausiliari. Ogni qubit ausiliario è accoppiato a un bagno di calore fisico, realizzato con una guida d’onda a microonde.
«Il nostro lavoro è probabilmente la prima dimostrazione di una macchina termica quantistica autonoma che esegue un compito praticamente utile. Inizialmente avevamo pensato a questo esperimento come una prova di concetto, quindi siamo rimasti piacevolmente sorpresi quando abbiamo scoperto che le prestazioni della macchina superano tutti i protocolli di reset esistenti nel raffreddare il qubit a temperature da record» afferma Simone Gasparinetti, professore associato presso la Chalmers University of Technology e autore principale dello studio.
Sebbene le macchine termiche classiche alimentino le industrie e la vita moderna, i motori termici quantistici devono ancora dimostrare la loro utilità. I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati in Nature Physics (2025) dove si dimostra come l´utile frigorifero ad assorbimento quantistico formato da circuiti superconduttori sia usato per raffreddare un qubit a una temperatura inferiore a quella ottenibile con qualsiasi bagno disponibile, riportando così il qubit a uno stato iniziale adatto all’elaborazione quantistica. Questi risultati dimostrano che i circuiti superconduttori con campi termici in propagazione possono essere utilizzati per esplorare sperimentalmente la termodinamica quantistica e applicarla a compiti di elaborazione di informazioni quantistiche.
Qui l´articolo: Aamir, M.A., Jamet Suria, P., Marín Guzmán, J.A. et al. Thermally driven quantum refrigerator autonomously resets a superconducting qubit. Nat. Phys. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02708-5.