Un “frigorifero quantistico” per raffreddare i qubit

Sfruttando la perturbazione generata durante la misurazione di un sistema fisico è possibile realizzare minuscole macchine termiche in grado di raffreddare le unità fondamentali di informazione quantistica: i qubit. Lo rivela uno studio del Cnr

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L’osservazione non è un gesto neutro. Almeno, non nel mondo della fisica quantistica: misurando una particella infatti l’osservatore ne perturba sempre, e irrimediabilmente, il comportamento. Può sembrare un problema, ma nelle mani dei ricercatori dell’Istituto dei sistemi complessi del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Isc) questa legge fondamentale della fisica quantistica si è rivelata un’incredibile opportunità. Nel loro ultimo studio, pubblicato su Physical Review Letters, hanno infatti sfruttato questo principio per creare una microscopica macchina termica: una sorta di “frigorifero quantistico” che si attiva quando un osservatore ne misura alcune caratteristiche. E che nei piani dei ricercatori del Cnr in futuro potrebbe essere utilizzato per refrigerare i qubit, le unità di informazione fondamentale dei computer quantistici.

Osservare vuol dire interagire

“Si osservi un sistema quantistico per mezzo di un apparato di misura ed inevitabilmente lo si perturberà”, spiega Paola Verrucchi, del Cnr-Isc. “Questa è una delle affermazioni più rivoluzionarie della fisica quantistica, e ne costituisce effettivamente uno dei postulati fondamentali”. Per comprendere di cosa parla esattamente l’esperta occorre ricordare che i termini osservazione e misura fanno riferimento ad un processo in cui alcune informazioni circa l’oggetto osservato vengono estratte e messe a disposizione dell’osservatore, mediante l’apparato di misura. Un processo che implica un’interazione fra oggetto osservato ed apparato, più facile da capire probabilmente con un esempio. “Basta pensare ad un bambino piccolo, o un primate – racconta Verrucchi – che di fronte ad un oggetto sconosciuto non si accontentano di guardarlo, ma cercano di toccarlo, annusarlo, possibilmente assaggiarlo, hanno cioè bisogno di interagire con esso”.

La fisica quantistica formalizza queste idee, e mostra che durante un processo di misura, osservatore ed osservato interagiscono, ed il loro stato risulta reciprocamente modificato da tale interazione: il primo sa qualcosa in più grazie alla perturbazione che ha causato allo stato del secondo.

Macchine termiche quantistiche

“La nostra ricerca dimostra che questo tipo di perturbazione può essere utile: abbiamo infatti mostrato come sfruttarlo per alimentare macchine nanoscopiche che potranno essere impiegate, per esempio, come minuscoli frigoriferi per mantenere freddi e funzionanti i dispositivi sui quali si basano le moderne tecnologie quantistiche”, spiega la ricercatrice.

I computer quantistici, ad esempio, sono dispositivi analoghi ai comuni computer, i cui elementi fondamentali seguono le leggi della meccanica quantistica. Questo garantisce a questi dispositivi una velocità computazionale incredibilmente superiore rispetto a quella di un computer classico. Ma crea anche diversi problemi in più per il loro utilizzo.

Il qubit si rinfresca con il frigorifero quantistico

“Per garantire le migliori prestazioni di tali dispositivi occorre garantire che il loro funzionamento avvenga in condizioni estremamente protette”, sottolinea Verrucchi. “Il sistema fisico che realizza l’unità fondamentale di informazione quantistica, detto quantum-bit (o qubit, in analogia con l’unità classica, detta bit) è costituito ad esempio da singoli atomi, o piccole molecole, o minuscoli circuiti superconduttori, il cui corretto funzionamento è garantito solo a temperature bassissime. Raffreddare i qubit di un computer quantistico è quindi essenziale per garantirne l’efficienza”.

Un compito che in futuro potrà essere svolto dalla minuscola macchina frigorifera inventata al Cnr. Un frigorifero composto da due singoli atomi che, in conseguenza del solo fatto di essere osservati (e modificando conseguentemente il proprio stato) pompano calore da una zona fredda verso una calda. “La nostra macchina frigorifera funziona solo se si osservano alcune particolari proprietà della coppia di atomi, cioè dei due qubit“, conclude la ricercatrice. “Si tratta di quelle proprietà per la cui misura l’apparato interagisce con i qubit in modo tale da generare fra i due un particolarissimo tipo di correlazione, che si instaura solo ed esclusivamente fra sistemi quantistici, detta entanglement“.

Riferimenti: Physical Review Letters

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