Ricercatori presso la Chalmers University of Technology, Göteborg, Svezia, hanno sviluppato un nuovo tipo di termometro in grado di misurare in modo semplice e rapido le temperature durante i calcoli quantistici con un'accuratezza estremamente elevata. La svolta fornisce uno strumento di benchmarking per il calcolo quantistico di grande valore e apre a esperimenti nell'eccitante campo della termodinamica quantistica.

I componenti chiave dei computer quantistici sono cavi coassiali e guide d'onda, strutture che guidano le forme d'onda e fungono da connessione vitale tra il processore quantistico e l'elettronica classica che lo controlla. Gli impulsi a microonde viaggiano lungo le guide d'onda verso il processore quantistico, e vengono raffreddati a temperature estremamente basse lungo il percorso. La guida d'onda inoltre attenua e filtra gli impulsi, consentendo al computer quantistico estremamente sensibile di lavorare con stati quantistici stabili.

Al fine di massimizzare il controllo su questo meccanismo, i ricercatori devono essere sicuri che queste guide d'onda non trasportino rumore a causa del movimento termico degli elettroni sopra gli impulsi che inviano. In altre parole, devono misurare la temperatura dei campi elettromagnetici all'estremità fredda delle guide d'onda a microonde, il punto in cui gli impulsi di controllo vengono consegnati ai qubit del computer. Lavorare alla temperatura più bassa possibile riduce al minimo il rischio di introdurre errori nei qubit.

Fino ad ora, i ricercatori sono stati in grado di misurare questa temperatura solo indirettamente, con un ritardo relativamente grande. Ora, con il nuovo termometro dei ricercatori Chalmers, temperature molto basse possono essere misurate direttamente all'estremità ricevente della guida d'onda, con precisione e con una risoluzione temporale estremamente elevata.

"Il nostro termometro è un circuito superconduttore, collegato direttamente all'estremità della guida d'onda da misurare. È relativamente semplice e probabilmente il termometro più veloce e sensibile del mondo per questo particolare scopo su scala millikelvin, "dice Simone Gasparinetti, professore assistente presso il Quantum Technology Laboratory, Chalmers University of Technology.

Importante per misurare le prestazioni dei computer quantistici

I ricercatori del Wallenberg Center for Quantum Technology, WACQT, hanno l'obiettivo di costruire un computer quantistico basato su circuiti superconduttori con almeno 100 qubit ben funzionanti che eseguano calcoli corretti entro il 2030. Richiede una temperatura di lavoro del processore vicina allo zero assoluto, idealmente fino a 10 millikelvin. Il nuovo termometro offre ai ricercatori uno strumento importante per misurare quanto sono buoni i loro sistemi e quali carenze esistono, un passaggio necessario per poter perfezionare la tecnologia e raggiungere il loro obiettivo.

"Una certa temperatura corrisponde a un dato numero di fotoni termici, e quel numero diminuisce esponenzialmente con la temperatura. Se riusciamo ad abbassare la temperatura alla fine dove la guida d'onda incontra il qubit a 10 millikelvin, il rischio di errori nei nostri qubit si riduce drasticamente, "dice Per Delsing, Professore presso il Dipartimento di Microtecnologie e Nanoscienze, Chalmers University of Technology, e leader del WACQT.

La misurazione accurata della temperatura è necessaria anche per i fornitori che devono poter garantire la qualità dei loro componenti, Per esempio, cavi utilizzati per gestire i segnali fino agli stati quantistici.

Nuove opportunità nel campo della termodinamica quantistica

Fenomeni quantomeccanici come la sovrapposizione, l'entanglement e la decoerenza rappresentano una rivoluzione non solo per l'informatica futura, ma potenzialmente anche per la termodinamica. Può darsi che le leggi della termodinamica cambino in qualche modo quando si lavora su scala nanometrica in un modo che un giorno potrebbe essere sfruttato per produrre motori più potenti, batterie a ricarica più rapida, e altro ancora.

"Da 15 a 20 anni, le persone hanno studiato come le leggi della termodinamica potrebbero essere modificate dai fenomeni quantistici, ma la ricerca di un vero vantaggio quantistico in termodinamica è ancora aperta, "dice Simone Gasparinetti, che ha recentemente avviato il proprio gruppo di ricerca e intende contribuire a questa ricerca con una nuova gamma di esperimenti.

Il nuovo termometro può, Per esempio, misurare la dispersione delle microonde termiche da un circuito che funge da motore termico quantistico o frigorifero.

"I termometri standard sono stati fondamentali per lo sviluppo della termodinamica classica. Speriamo che forse, nel futuro, il nostro termometro sarà considerato fondamentale per lo sviluppo della termodinamica quantistica, "dice Marco Scigliuzzo, dottorando presso il Dipartimento di Microtecnologie e Nanoscienze, Chalmers University of Technology.