Una tecnologia di raffreddamento rivoluzionaria potrebbe dare nuova vita all’informatica quantistica e ridurre drasticamente i tempi di preparazione, notoriamente costosi, negli esperimenti scientifici di punta.
Informatica quantistica: il prototipo del NIST
Nel campo dell’informatica quantistica e dell’astronomia, gli scienziati necessitano spesso di generare temperature prossime allo zero assoluto, note come “Grande Freddo”. Queste temperature estreme sono cruciali per mantenere gli strumenti elettrici più sensibili, come quelli utilizzati nei computer quantistici o nei telescopi, liberi da interferenze dovute a fluttuazioni termiche.
I frigoriferi attualmente impiegati per raggiungere tali temperature, tuttavia, risultano estremamente costosi e inefficienti, ostacolando il progresso in questi settori.
Un team di scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST), un’agenzia governativa statunitense, ha recentemente sviluppato un prototipo di frigorifero che promette di rivoluzionare questo scenario. Secondo le loro stime, questo nuovo dispositivo potrebbe raggiungere lo zero assoluto in modo significativamente più rapido ed efficiente rispetto ai modelli tradizionali.
Il prototipo del NIST si basa su una tecnologia innovativa chiamata “raffreddamento magnetico”. Questo metodo sfrutta le proprietà magnetiche di alcuni materiali per generare il raffreddamento desiderato, eliminando la necessità di componenti meccanici complessi e costosi che caratterizzano i frigoriferi tradizionali.
I ricercatori hanno pubblicato i dettagli del loro studio sulla rivista Nature Communications. Il team ha affermato che il suo utilizzo potrebbe far risparmiare 27 milioni di watt di energia all’anno e ridurre il consumo energetico globale di 30 milioni di dollari.
Informatica quantistica: raddoppiare la velocità di raffreddamento
I frigoriferi domestici convenzionali funzionano attraverso un processo di evaporazione e condensazione. Un liquido refrigerante viene spinto attraverso uno speciale tubo a bassa pressione chiamato “serpentina evaporante”.
Mentre evapora, assorbe calore per raffreddare l’interno del frigorifero per poi passare attraverso un compressore che lo trasforma nuovamente in un liquido, aumentandone la temperatura mentre viene irradiato attraverso il retro del frigorifero.
Per raggiungere le temperature richieste, gli scienziati hanno utilizzato i frigoriferi a tubi di impulso (PTR) da oltre 40 anni. I PTR utilizzano il gas elio in un processo simile ma con un assorbimento del calore molto migliore e senza parti mobili.
Sebbene efficace, consuma enormi quantità di energia, è costoso da gestire e richiede molto tempo. Tuttavia, i ricercatori del NIST hanno anche scoperto che i PTR sono inutilmente inefficienti e possono essere notevolmente migliorati per ridurre i tempi di raffreddamento e abbassare i costi complessivi.
Secondo gli scienziati, i PTR soffrono di “gravi inefficienze” dovute alla loro ottimizzazione per prestazioni ottimali solo alla temperatura di base, solitamente vicina a 4 Kelvin. Questo comporta un funzionamento notevolmente inefficiente durante il processo di raffreddamento.
In parole semplici, i PTR raggiungono il massimo rendimento solo a temperature molto basse, perdendo efficacia man mano che si allontanano da questo punto di riferimento. Questo limite rappresenta un ostacolo significativo per il loro utilizzo in applicazioni che richiedono un raffreddamento rapido e continuo.
Il team ha scoperto che modificando la progettazione del PTR tra il compressore e il frigorifero, l’elio è stato utilizzato in modo più efficiente. Durante il raffreddamento, una parte è stata normalmente spinta in una valvola di sicurezza anziché essere spinta nel circuito come previsto.
Informatica quantistica a una frazione del costo
La riprogettazione proposta ha incluso una valvola che si contrae quando la temperatura scende per evitare che l’elio venga sprecato. Di conseguenza, il PTR modificato del team del NIST, ha raggiunto lo zero assoluto da 1,7 a 3,5 volte più velocemente, hanno affermato gli scienziati nel loro articolo.
Il team ha dichiarato: “Negli esperimenti più piccoli per la prototipazione di circuiti quantistici in cui i tempi di raffreddamento sono attualmente paragonabili ai tempi di caratterizzazione, l’ottimizzazione acustica dinamica può aumentare sostanzialmente la produttività delle misurazioni”.
I ricercatori hanno affermato anche che il nuovo metodo potrebbe ridurre almeno una settimana di esperimenti presso l’Osservatorio criogenico sotterraneo per eventi rari (CUORE) – una struttura in Italia utilizzata per cercare eventi rari come una forma attualmente teorica di decadimento radioattivo. Per ottenere risultati accurati da queste strutture è necessario ridurre al minimo il rumore di fondo possibile.
I computer quantistici necessitano di un livello di isolamento simile. I qubit sono incredibilmente sensibili e devono essere separati il più possibile dal rumore di fondo, comprese le minuscole fluttuazioni dell’energia termica.
I ricercatori hanno affermato che nel prossimo futuro potrebbero teoricamente essere realizzati metodi di raffreddamento ancora più efficienti, il che potrebbe portare a un’innovazione più rapida nello spazio del calcolo quantistico.
Il team ha anche affermato che la loro tecnologia potrebbe in alternativa essere utilizzata per raggiungere temperature estremamente fredde nello stesso tempo ma a un costo molto inferiore, il che potrebbe avvantaggiare, oltre l’informatica quantistica, anche l’industria della criogenia, riducendo i costi per esperimenti e applicazioni industriali che non richiedono molto tempo. Gli scienziati stanno attualmente lavorando con un partner industriale per rilasciare commercialmente il loro PTR migliorato.
