Quantum computing meno complesso? Sì, con lo zampino del grafene

Un team di ingegneri della Scuola Politecnica Federale di Losanna (EPFL) ha sviluppato un dispositivo che è in grado di convertire in modo efficiente il calore in tensione elettrica a temperature inferiori a quelle dello Spazio.

La nuova soluzione potrebbe aiutare a superare un ostacolo rilevante per l'avanzamento delle tecnologie legate al calcolo quantistico, le quali necessitano di temperature estremamente basse per funzionare in modo ottimale.

Il dispositivo 2D del laboratorio LANES fatto di grafene e seleniuro di indio © Alain Herzog

A differenza dell'elettronica di consumo, per svolgere i calcoli quantistici è necessario raffreddare i qubit (bit quantistici) fino a temperature prossime a -273 °C, così da ridurre il moto atomico e minimizzare la rumorosità.

L'elettronica che serve a gestire quei circuiti genera però del calore che è difficile da rimuovere a temperature così basse. La maggior parte delle tecnologie attuali, quindi, deve separare i circuiti quantistici dai loro componenti elettronici, causando rumore e inefficienze che ostacolano la realizzazione di sistemi quantistici più grandi al di fuori del laboratorio.

Andras Kis e Gabriele Pasquale con il frigorifero di diluizione del laboratorio LANES © Alain Herzog

I ricercatori del Laboratory of Nanoscale Electronics and Structures (LANES) dell'EPFL, guidati da Andras Kis, hanno creato un dispositivo che non solo opera a temperature estremamente basse, ma lo fa anche in modo efficiente rispetto alle attuali tecnologie a temperatura ambiente.

"Siamo i primi a creare un dispositivo che eguaglia l'efficienza di conversione delle tecnologie attuali, ma che opera ai bassi campi magnetici e alle bassissime temperature necessarie per i sistemi quantistici. Questo lavoro rappresenta davvero un passo avanti", ha spiegato il dottorando Gabriele Pasquale.

Schema 3D del dispositivo che mostra un canale di seleniuro di indio (viola), elettrodi di grafene (bande orizzontali) e un raggio laser (rosso) © LANES EPFL

L'innovativo dispositivo combina l'eccellente conduttività elettrica del grafene con le proprietà semiconduttrici del seleniuro di indio. Con uno spessore di pochi atomi, il dispositivo si comporta come un oggetto bidimensionale e questa inedita combinazione di materiali e struttura consente di ottenere prestazioni senza precedenti. Il risultato è stato pubblicato su Nature Nanotechnology.

Il dispositivo sfrutta l'effetto Nernst, ovvero un complesso fenomeno termoelettrico che genera una tensione elettrica quando un campo magnetico viene applicato perpendicolarmente a un oggetto caratterizzato da una temperatura variabile. La natura bidimensionale del dispositivo consente di controllare elettricamente l'efficienza di questo meccanismo.

La struttura 2D è stata fabbricata presso il Centro di MicroNanoTecnologia dell'EPFL e il laboratorio LANES. Gli esperimenti hanno previsto l'utilizzo di un laser come fonte di calore e di un frigorifero a diluizione ad hoc per raggiungere i 100 millikelvin, una temperatura ancora più fredda dello Spazio. Convertire il calore in tensione a temperature così basse è di solito estremamente difficile, ma il nuovo dispositivo, capace di sfruttare l'effetto Nernst, lo ha reso possibile possibile, colmando una lacuna critica nella tecnologia quantistica.

"Se si pensa a un computer portatile in un ufficio freddo, il computer portatile si riscalda durante il funzionamento, facendo aumentare anche la temperatura della stanza. Nei sistemi di calcolo quantistico, attualmente non esiste un meccanismo che impedisca al calore di disturbare i qubit. Il nostro dispositivo potrebbe fornire il raffreddamento necessario", spiega Pasquale.

Gabriele Pasquale con il frigorifero di diluizione del laboratorio LANES © Alain Herzog

Secondo Pasquale, la ricerca è significativa perché fa luce sulla conversione della potenza termica a basse temperature, un fenomeno finora poco esplorato. Data l'elevata efficienza della conversione e l'uso di componenti elettronici potenzialmente producibili, il team di LANES ritiene che il proprio dispositivo possa essere già integrato nei circuiti quantistici a bassa temperatura esistenti.

"Questi risultati rappresentano un importante progresso nella nanotecnologia e sono promettenti per lo sviluppo di tecnologie di raffreddamento avanzate, essenziali per il calcolo quantistico a temperature nell'ordine dei millikelvin", ha aggiunto Pasquale. "Crediamo che questo risultato possa rivoluzionare i sistemi di raffreddamento per le tecnologie future".