Mentre molti team di ricerca in tutto il mondo stanno cercando di sviluppare computer quantistici ad alte prestazioni, alcuni stanno lavorando su strumenti per controllare il flusso di calore al loro interno. Proprio come i computer convenzionali, infatti, i computer quantistici possono surriscaldarsi in modo significativo mentre sono in funzione, che alla fine può danneggiare sia i dispositivi che l'ambiente circostante.

Un team di ricercatori dell'Università di Grenoble Alpes in Francia e del Centre of Excellence—Quantum Technology in Finlandia ha recentemente sviluppato una valvola termica a punto quantico singolo, un dispositivo che può aiutare a controllare il flusso di calore nelle giunzioni punto-quantico singolo. Questa valvola di calore, presentato in un articolo pubblicato in Lettere di revisione fisica , potrebbe aiutare a prevenire il surriscaldamento dei computer quantistici.

"Con la miniaturizzazione dei componenti elettronici, la gestione del calore in eccesso su scala nanometrica è diventata una questione sempre più importante da affrontare, "Nicola Lo Gullo, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Ciò è particolarmente vero quando si vuole preservare la natura quantistica di un dispositivo; l'aumento della temperatura si traduce in genere nel degrado delle proprietà quantistiche. La recente realizzazione di una valvola di calore fotonica da parte di un altro gruppo di ricerca alla fine ci ha ispirato a creare una valvola termica basata su un punto quantico a stato solido."

Uno degli obiettivi chiave del recente studio condotto da Lo Gullo e dai suoi colleghi era dimostrare la fattibilità del controllo della quantità di calore che scorre attraverso una giunzione a punti quantici, consentendo anche il flusso di una determinata quantità di corrente elettrica. Per progettare la loro valvola termica a punto quantico singolo, i ricercatori hanno posizionato una nanoparticella d'oro tra due contatti metallici, usandolo come giunzione. Questa nanoparticella è così piccola che può essere utilizzata per intervenire su un unico livello energetico, agire come un atomo artificiale più grande farebbe con diversi livelli di energia accessibili.

"Regolando opportunamente i parametri esterni è possibile consentire agli elettroni in uno dei contatti di fluire attraverso solo uno dei livelli di questo atomo artificiale e raggiungere l'altro contatto, "Spiegava Lo Gullo. "Il punto quantico a livello singolo funge quindi da ponte tra i due contatti metallici".

In circostanze normali, lo scambio di energia è possibile solo quando il livello energetico di un punto quantico è in risonanza con l'energia degli elettroni nei contatti. Nel dispositivo sviluppato da Lo Gullo e dai suoi colleghi, però, la presenza dei contatti modifica le proprietà dell'atomo artificiale, ampliando i suoi livelli di energia.

"Questo effetto è al centro dell'effetto valvola di calore che abbiamo studiato, " Ha aggiunto Lo Gullo. "L'allargamento equivale alla creazione di stati virtuali, che non sono classicamente accessibili e consentono agli elettroni di fluire da un contatto all'altro, trasportando energia e dando luogo all'effetto termovalvola che abbiamo riportato".

Nei conduttori più grandi (macroscopici), i ricercatori hanno identificato una relazione semplice e universale tra la loro capacità di condurre una carica elettrica e la loro capacità di condurre il calore. Questa relazione è delineata da un costrutto teorico noto come legge di Wiedemann-Franz.

In dispositivi quantistici come quello sviluppato da Lo Gullo e dai suoi colleghi, però, le cose non sono così semplici. Ciò è dovuto alla quantizzazione di carica ed energia, che porta a deviazioni dalla legge Wiedemann-Franz.

"Utilizzando l'immagine più elementare della meccanica quantistica (chiamata semi-classica), ci si aspetterebbe che una giunzione a punti quantici non conduca affatto calore, "Clemens Winkelmann, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "Le nostre misurazioni, però, mostra che non è vero, e la spiegazione teorica è legata alle fluttuazioni quantistiche, esattamente come nel principio di indeterminazione di Heisenberg, che ripristinano in parte l'energia e quindi il flusso di calore."

Quando stavano sviluppando il loro dispositivo, i ricercatori hanno dovuto superare una serie di sfide tecniche. Ad esempio, hanno dovuto identificare una strategia per misurare la temperatura (e le differenze di temperatura) localmente all'interno di un dispositivo quantistico. In definitiva, uno dei maggiori risultati del loro studio è che sono stati in grado di raccogliere queste misurazioni e quindi ottenere una migliore comprensione di come viene gestito il calore all'interno dei dispositivi quantistici.

"I dispositivi elettronici producono dissipazione quando trattano informazioni, e questo porta ai ben noti problemi di surriscaldamento osservati nei processori classici, che si verificano anche nel mondo quantistico, " ha detto Winkelmann. "Il surriscaldamento può perturbare il funzionamento logico del dispositivo, portando a errori. Il nostro lavoro fornisce una migliore comprensione di come il calore viene generato e può essere drenato in un tale dispositivo".

Introducendo una strategia per ottenere il controllo del calore che scorre attraverso le giunzioni più piccole nei dispositivi quantistici, il recente articolo di Lo Gullo, Winkelmann ei loro colleghi potrebbero aprire nuove interessanti possibilità relative a un campo di studio emergente noto come termotronica a stato solido. La ricerca sulla termotronica allo stato solido studia la possibilità di controllare i flussi di calore attraverso i gradienti di temperatura in modo simile a quello in cui le correnti e le tensioni elettriche sono controllate nei dispositivi esistenti.

"La termotronica allo stato solido è un campo relativamente nuovo, ma sono stati fatti importanti progressi, come la realizzazione di valvole termiche, diodi termici e transistor, raccoglitori di energia e anche le proposte di porte a logica termica, Lo Gullo ha detto. "Abbiamo fornito l'ennesimo esempio della fattibilità del controllo e della misurazione delle correnti di calore e delle temperature nei dispositivi a stato solido".

Nel futuro, la valvola termica sviluppata da questo team di ricercatori potrebbe migliorare l'affidabilità e la sicurezza dei dispositivi quantistici, riducendo il rischio di surriscaldamento. Nei loro studi successivi, Lo Gullo e Winkelmann vorrebbero escogitare strategie per misurare la dissipazione nel tempo. In altre parole, invece di concentrarsi sul riscaldamento allo stato stazionario di un dispositivo quantistico, hanno in programma di esaminare singolo, processi elementari quanto-dissipativi, come il tunneling di un singolo elettrone o un singolo scorrimento 2π della fase quantomeccanica.

"Ci sono molte direzioni possibili per la ricerca futura, "Aggiunge Lo Gullo. "Attualmente stiamo esaminando gli svincoli con una struttura più complessa per vedere se offrono qualche vantaggio in termini di raggio di operatività. Un'altra possibilità interessante è quella di ottenere un controllo tempestivo del flusso di calore, consentendo così operazioni in tempo reale in vista di applicazioni alla termotronica."

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