Gestione del calore per computer quantistici efficienti
Nata nel XIX secolo, quando gli scienziati stavano scoprendo come costruire e utilizzare i motori a vapore, la termodinamica è una branca della fisica che si occupa di energia e funzionamento dei sistemi. Il campo vanta diversi successi, i quali hanno letteralmente trasformato la nostra vita, con applicazioni che vanno dai frigoriferi e condizionatori d’aria agli aerei a reazione. Fino a poco tempo fa, la termodinamica veniva applicata principalmente su grandi sistemi descritti dalle leggi della fisica classica. Tuttavia, a causa di computer moderni che si ridimensionano verso la nanoscala e grazie al regime quantistico, gli scienziati hanno radicalmente cambiato la loro visione circa una termodinamica che si interessa solo grandi sistemi, e hanno iniziato a rendersi conto che tale branca può essere applicata a tutte le scale di grandezza. La termodinamica quantistica è un settore emergente che studia la relazione tra termodinamica e meccanica quantistica. In questo contesto, le interpretazioni apparentemente consolidate di calore e lavoro devono essere riviste. Il calore e il lavoro in ambito quantistico sono soggetti a fluttuazioni quantistiche, descritte da rapporti matematici chiamati relazioni di fluttuazione. In questo contesto, il progetto NEQUFLUX (Nonequilibrium quantum fluctuations in superconducting devices), finanziato dall’UE, ha condotto esperimenti fattibili per testare e applicare relazioni di fluttuazione quantistica per lo sviluppo di efficienti nanodispositivi quantistici. Proprio come il motore a vapore, i nanodispositivi possono essere visti come motori termici quantistici che prendono il calore da una sorgente calda (una resistenza), spendendo parte di esso per il funzionamento (sotto forma di fotoni) e inviando il resto a una sorgente fredda (nuovamente un resistore). Il motore può funzionare come un frigorifero quantistico, rendendo possibile per esempio il raffreddamento di parti di un microchip. Delle operazioni speciali dette porte quantistiche gestiscono il trasporto di calore nel chip. L’esperimento ha condotto misure consentite di calore e lavoro quantistico e delle rispettive fluttuazioni. Il dispositivo ha funzionato a temperature molto basse ed è stato progettato con circuiti superconduttori. Un’altra parte del lavoro è stata orientata verso lo sviluppo di un dispositivo dotato di circuiti superconduttori simili che utilizzano energia esterna per il trasporto di carica da un punto di un filo superconduttore posto su chip, a un altro punto. Nel superconduttore, gli elettroni si legano a coppie, dette coppie di Cooper, e il dispositivo permette la manipolazione e il trasporto di tali coppie, anche in presenza di rumore termico nei fili. Nel complesso, il progetto NEQUFLUX ha studiato dei metodi per sfruttare una tecnologia già sviluppata per la computazione quantistica mediante circuiti superconduttori, con lo scopo di dirigere e gestire calore e carica all’interno di tali circuiti, anziché informazioni.
Parole chiave
Computer quantistici, termodinamica quantistica, rapporti di fluttuazione, NEQUFLUX, coppie di Cooper