Per eseguire calcoli quantistici, i bit quantistici (qubit) devono essere raffreddati a temperature dell’ordine dei millikelvin (quasi -273 °C), per rallentare i movimenti degli atomi e ridurre il rumore. Ma l’elettronica utilizzata per gestire questi circuiti quantistici produce calore, difficile da eliminare a temperature così basse. La maggior parte delle tecnologie attuali deve quindi separare i circuiti quantistici dai loro componenti elettronici, il che comporta rumore e inefficienza - ostacoli che impediscono lo sviluppo di sistemi quantistici su larga scala al di fuori del laboratorio.
Gli scienziati del Laboratory of Nanoscale Electronics and Structures (LANES), diretto da Andras Kis presso la Facoltà di Ingegneria dell’EPFL, hanno appena prodotto un dispositivo che funziona a temperature estremamente basse con un’efficienza paragonabile a quella delle attuali tecnologie a temperatura ambiente.
"Siamo i primi a creare un dispositivo la cui efficienza di conversione è pari a quella delle tecnologie attuali e che funziona a campi magnetici deboli e a temperature molto basse, condizioni necessarie per i sistemi quantistici. Questo lavoro rappresenta una vera e propria svolta", afferma Gabriele Pasquale, dottorando del laboratorio LANES.
Questo dispositivo innovativo combina l’eccellente conduttività elettrica del grafene con le proprietà semiconduttive del seleniuro di indio. Con uno spessore di pochi atomi, si comporta come un oggetto bidimensionale e questa inedita combinazione di materiali e struttura gli conferisce prestazioni impareggiabili. Questa prodezza tecnica è stata pubblicata in un articolo della rivista Nature Nanotechnology.
Sfruttare l’effetto Nernst
Il dispositivo sfrutta l’effetto Nernst. Si tratta di un complesso fenomeno termoelettrico che produce una tensione elettrica quando un campo magnetico viene applicato perpendicolarmente a un oggetto a temperatura variabile. La natura bidimensionale del dispositivo di laboratorio consente di controllare elettricamente le prestazioni di questo meccanismo.
La struttura bidimensionale è stata prodotta presso il Centro di micronanotecnologia e il Laboratorio LANES dell’EPFL. Gli esperimenti hanno richiesto l’uso di un laser come fonte di calore e di un frigorifero di diluizione specializzato per raggiungere i 100 millikelvin, una temperatura ancora più bassa di quella dello spazio. In genere è molto difficile convertire il calore in tensione a temperature così basse. Ma grazie all’effetto Nernst, il nuovo dispositivo riesce a colmare una lacuna critica nella tecnologia quantistica.
"Prendiamo l’esempio di un computer portatile in un ufficio dove la temperatura è bassa. Il computer continuerà a riscaldarsi durante il suo funzionamento, facendo aumentare la temperatura della stanza. Nei sistemi di calcolo quantistico, attualmente non esiste un meccanismo che impedisca al calore di disturbare i qubit. Il nostro dispositivo potrebbe fornire questo necessario raffreddamento", spiega Gabriele Pasquale.
"Questi risultati rappresentano un’importante svolta nel campo delle nanotecnologie. Sono molto promettenti per lo sviluppo di tecnologie di raffreddamento avanzate, essenziali per il calcolo quantistico a temperature dell’ordine dei millikelvin", spiega Gabriele Pasquale. "Siamo convinti che questa impresa tecnica potrebbe rivoluzionare i sistemi di raffreddamento per le tecnologie di domani".
