Lo sviluppo di un computer quantistico in grado di risolvere problemi che i computer classici possono risolvere solo con grande sforzo o non riescono a risolvere affatto: questo è l'obiettivo attualmente perseguito da un numero sempre crescente di gruppi di ricerca in tutto il mondo. Il motivo: gli effetti quantistici, che hanno origine nel mondo delle particelle e delle strutture più piccole, consentono numerose nuove applicazioni tecnologiche. I cosiddetti superconduttori, che permettono di elaborare informazioni e segnali secondo le leggi della meccanica quantistica, sono considerati componenti promettenti per la realizzazione di computer quantistici. Un punto critico delle nanostrutture superconduttrici, tuttavia, è che funzionano solo a temperature molto basse e sono quindi difficili da integrare in applicazioni pratiche.
I ricercatori dell'Università di Münster e del Forschungszentrum Jülich hanno dimostrato per la prima volta la cosiddetta quantizzazione dell'energia in nanofili realizzati con superconduttori ad alta temperatura, ovvero superconduttori in cui la temperatura al di sotto della quale predominano gli effetti quantistici è elevata. Il nanofilo superconduttore assume quindi solo determinati stati energetici che possono essere utilizzati per codificare le informazioni. Nei superconduttori ad alta temperatura, i ricercatori sono stati anche in grado di osservare per la prima volta l'assorbimento di un singolo fotone, una particella di luce che serve a trasmettere informazioni.
“Da un lato, i nostri risultati possono contribuire all'utilizzo di tecnologie di raffreddamento notevolmente semplificate nelle tecnologie quantistiche in futuro, e dall'altro, ci offrono una visione completamente nuova dei processi che governano gli stati superconduttori e la loro dinamica, che non sono ancora del tutto compresi”, sottolinea il responsabile dello studio, il Prof. Jun. Carsten Schuck dell'Istituto di Fisica dell'Università di Münster. I risultati potrebbero quindi essere rilevanti per lo sviluppo di nuove tipologie di tecnologie informatiche. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications.
Gli scienziati hanno utilizzato superconduttori composti dagli elementi ittrio, bario, ossido di rame e ossigeno, o YBCO in breve, dai quali hanno fabbricato fili sottilissimi, di pochi nanometri. Quando queste strutture conducono corrente elettrica, si verificano dinamiche fisiche chiamate "slittamenti di fase". Nel caso dei nanofili di YBCO, le fluttuazioni della densità dei portatori di carica causano variazioni nella supercorrente. I ricercatori hanno studiato i processi nei nanofili a temperature inferiori a 20 Kelvin, corrispondenti a -253 gradi Celsius. In combinazione con calcoli teorici, hanno dimostrato una quantizzazione degli stati energetici nei nanofili. La temperatura alla quale i fili entrano nello stato quantistico è stata individuata tra i 12 e i 13 Kelvin, una temperatura centinaia di volte superiore a quella richiesta per i materiali normalmente utilizzati. Ciò ha permesso agli scienziati di produrre risonatori, ovvero sistemi oscillanti sintonizzati su frequenze specifiche, con una durata di vita molto maggiore e di mantenere gli stati quantistici per periodi più lunghi. Questo è un prerequisito per lo sviluppo a lungo termine di computer quantistici sempre più grandi.
Ulteriori componenti importanti per lo sviluppo delle tecnologie quantistiche, ma potenzialmente anche per la diagnostica medica, sono i rivelatori in grado di registrare anche singoli fotoni. Il gruppo di ricerca di Carsten Schuck presso l'Università di Münster lavora da diversi anni allo sviluppo di tali rivelatori di singoli fotoni basati su superconduttori. Ciò che funziona già bene a basse temperature, scienziati di tutto il mondo hanno cercato di replicarlo con superconduttori ad alta temperatura per oltre un decennio. Nei nanofili di YBCO utilizzati per lo studio, questo tentativo ha ora avuto successo per la prima volta. "Le nostre nuove scoperte aprono la strada a nuove descrizioni teoriche verificabili sperimentalmente e a sviluppi tecnologici", afferma il coautore Martin Wolff del gruppo di ricerca di Schuck.
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Data di pubblicazione: 7 aprile 2020