Il sibilo che senti in sottofondo quando alzi il volume del tuo lettore musicale è chiamato "rumore". La maggior parte di questo sibilo è dovuto al movimento termico degli elettroni nei circuiti del lettore musicale. Proprio come le molecole in un gas caldo, gli elettroni nei circuiti si muovono costantemente in modo casuale, e questo movimento dà origine a un segnale di rumore indesiderato.

Ma c'è un altro tipo di rumore che entra in gioco solo quando c'è una corrente elettrica che scorre. Questo rumore è noto come rumore di sparo. Gli ostacoli che generano rumore di sparo in questo modo si trovano in molti componenti elettronici, come diodi e alcuni transistor, e gli ingegneri elettronici fanno grandi sforzi per cercare di eliminare gli effetti di tutte le fonti di rumore, compreso rumore di sparo, nei loro disegni.

Ora un nuovo studio ha dimostrato che il rumore da sparo può essere eliminato alla sua origine microscopica. E per farlo, hanno preso in prestito un'idea da una fonte improbabile:i primi giorni del motore a vapore.

Stranezze quantistiche

Il rumore di sparo ha le sue origini nel fatto che la corrente elettrica è composta da un flusso di singole particelle – elettroni – e che il comportamento di queste particelle è governato dalle strane leggi della meccanica quantistica.

Quando un elettrone incontra un ostacolo che penseresti bloccherebbe il suo percorso, la meccanica quantistica offre la possibilità che possa attraversarla senza ostacoli. Questo si chiama tunneling quantistico, e rende possibile l'apparentemente impossibile. La cosa importante del tunneling quantistico è che è un processo casuale:la meccanica quantistica può dirci con quale probabilità un elettrone potrebbe scavare, ma non può dirci se un particolare elettrone scavalcherà o meno.

Così, se un flusso di elettroni colpisce un ostacolo, alcuni scavalcheranno e altri no, e questo avviene in maniera del tutto casuale. Se potessimo ascoltare l'arrivo di un flusso di elettroni che scava un tunnel in questo modo, sembrerebbe qualcosa di simile al picchiettio casuale delle gocce di pioggia su un tetto piatto. È questa casualità, rispetto al gocciolatoio irreggimentato di un rubinetto, che fa rumore di sparo.

Nel XVIII secolo, James Watt stava lottando per far funzionare il suo motore a vapore a una velocità costante. Risolvere questo problema, inventò il "governatore centrifugo" nel 1788, un congegno che consisteva in due sfere metalliche rotanti su un mandrino verticale azionato dal motore a vapore. Se il motore girava troppo veloce, le sfere si muoverebbero verso l'alto sotto la forza centrifuga (una forza che agisce su un corpo che si muove in un percorso circolare è diretta lontano dal centro attorno al quale si muove il corpo).

Questo moto era accoppiato ad una valvola che poi riduceva il flusso di vapore attraverso il motore, rallentandolo. Al contrario, se il motore girava troppo lentamente, le palle cadrebbero, le valvole si aprirebbero e il motore accelererebbe. In questo modo, Watt è stato in grado di stabilizzare la potenza del suo motore intorno a una velocità costante. In tal modo aveva fornito un primo esempio di ciò che ora chiameremmo controllo del feedback.

James Watt in soccorso

Il nuovo esperimento si concentra su un dispositivo elettronico ultra-piccolo noto come transistor a elettrone singolo, che un giorno potrà costituire la base di un sistema estremamente efficiente, elettronica in miniatura. Questi transistor a elettrone singolo sono un po' come i normali transistor, che commutano segnali elettronici, ma portati al limite estremo della miniaturizzazione in modo che gli elettroni si muovano attraverso di essi uno alla volta. Questo avviene tramite tunneling quantistico, il che significa che la corrente attraverso un transistor a singolo elettrone soffre della casualità del rumore di sparo.

Utilizzando misurazioni di carica sensibili, i ricercatori sono stati in grado di rilevare esattamente quando un elettrone era passato attraverso il transistor. Sulla base di questo conteggio degli elettroni, hanno quindi regolato le tensioni del transistor, seguendo la ricetta di Watt per il regolatore centrifugo:se più elettroni del normale fossero stati tunnelizzati, hanno cambiato le tensioni per ridurre il flusso; se meno avessero scavato un tunnel, le tensioni sono state cambiate per aumentare il flusso.

In questo modo, hanno potuto dimostrare che, trascorso un certo tempo, il numero totale di elettroni che devono essere passati attraverso il dispositivo potrebbe essere controllato con precisione, con i risultati quasi del tutto privi della casualità del rumoroso processo di tunneling.

La tecnica potrebbe non entrare presto nella tua elettronica di consumo. La ricerca è stata condotta a bassa temperatura su un singolo dispositivo, quindi avremmo dovuto prima farlo funzionare a temperatura ambiente e aumentare la funzione. Tuttavia, rappresenta un importante passo avanti, in quanto riporta la prima applicazione del controllo in retroazione in elettronica che agisce a livello del singolo elettrone.

I risultati sono particolarmente importanti per lo sviluppo delle future tecnologie quantistiche, che cercano di sfruttare le peculiarità della fisica quantistica per realizzare dispositivi che superano ampiamente le nostre prestazioni migliori attuali. Tali macchine potrebbero essere un enorme impulso in aree tra cui la comunicazione sicura, decrittografia, misurazione di precisione e analisi quantitativa dei "big data". Le tecnologie quantistiche, tuttavia, richiedono uno squisito grado di controllo e, come mostra questa ricerca, tecniche di feedback collaudate con le loro radici nell'era del vapore possono ancora avere un ruolo importante da svolgere.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.