A livello quantistico incredibilmente piccolo, le leggi della fisica iniziano ad agire in modo diverso e le solite regole non si applicano, incluso il modo in cui il calore e l’energia fluiscono attraverso gli atomi. Per costruire computer quantistici e altre tecnologie più efficienti, gli scienziati devono prima capire come farlo manipolare il calore e l’energia nei sistemi quanto-meccanici.
VANTAGGI DEL FRIGORIFERO: il fisico John Nichol nel suo laboratorio con un frigorifero a diluizione. Lui e i membri del suo laboratorio stanno esplorando come tali frigoriferi possano raffreddare gli atomi a temperature quasi pari allo zero assoluto, rendendo i computer quantistici più freddi e migliorandone le prestazioni. Credito immagine: foto dell’Università di Rochester / J. Adam Fenster
Giovanni Nicolaprofessore associato di fisica al Università di Rochesterè uno dei 21 fisici sperimentali che riceveranno 1,25 milioni di dollari nei prossimi cinque anni dalla Fondazione Gordon e Betty Moore Iniziativa per investigatori di fisica sperimentale per “avanzare la frontiera scientifica nella fisica sperimentale”. Il premio consentirà a Nichol e al suo gruppo di ricerca di comprendere meglio la termoelettricità e il modo in cui il calore e l’energia fluiscono a livello nanometrico della meccanica quantistica.
Rilassarsi con i punti quantici
La termoelettricità genera energia elettrica dal flusso di calore e viceversa. Gli scienziati prevedono che i punti quantici dei semiconduttori, minuscole particelle che intrappolano gli elettroni, possono consentire la generazione di energia termoelettrica e la refrigerazione ad alta efficienza. Nichol e i membri del suo laboratorio esploreranno come i frigoriferi basati su punti quantici possono raffreddare gli atomi fino a temperature quasi pari allo zero assoluto, rendendo i computer quantistici più freddi e migliorando le prestazioni dei computer.
I computer quantistici richiedono ambienti freddi perché fanno affidamento su oggetti delicati chiamati bit quantistici o qubit. La maggior parte dei qubit deve essere raffreddata entro pochi millesimi dallo zero assoluto per eliminare il rumore termico e le vibrazioni, che tendono a distruggere le informazioni nei qubit. Realizzare ambienti criogenici per i qubit richiede energia e costi significativi. La ricerca di Nichol esplorerà nuovi modi per creare condizioni ultra-fredde per i qubit e come raggiungere temperature ancora più fredde di quanto è possibile con le tecnologie odierne.
Districare l’intreccio e la sovrapposizione
Nichol e il suo team effettueranno anche ricerche su due specifici fenomeni quantistici: la sovrapposizione, quando una minuscola particella come un elettrone può trovarsi in due posti o stati diversi allo stesso tempo, simile a una moneta a doppia faccia; e entanglement: quando le proprietà di una particella sono interconnesse con le proprietà di un’altra particella in modo che lo stato di una influenzi istantaneamente lo stato dell’altra, anche quando una grande distanza separa le particelle.
I ricercatori determineranno come la sovrapposizione e l’entanglement possono migliorare la produzione di energia termoelettrica e la refrigerazione e come sfruttare il flusso di calore per creare sovrapposizione ed entanglement.
“Non comprendiamo ancora appieno tutti i modi in cui il calore e l’energia fluiscono nei dispositivi quantistici”, afferma Nichol. “La nostra ricerca mira a migliorare questa comprensione e allo stesso tempo a fornire nuovi modi per rendere i qubit più freddi e far avanzare il campo dell’informatica quantistica”.
Fonte: Università di Rochester
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