Lo sviluppo di un computer quantistico in grado di risolvere problemi che i computer classici possono risolvere solo con grandi sforzi o addirittura senza risolverli affatto: questo è l’obiettivo perseguito attualmente da un numero sempre crescente di gruppi di ricerca in tutto il mondo. Il motivo: gli effetti quantistici, che hanno origine dal mondo delle particelle e delle strutture più piccole, consentono molte nuove applicazioni tecnologiche. I cosiddetti superconduttori, che consentono l'elaborazione di 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 portare in applicazioni pratiche. googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2′); });
I ricercatori dell'Università di Münster e del Forschungszentrum Jülich hanno dimostrato per la prima volta la cosiddetta quantizzazione dell'energia in nanofili costituiti da superconduttori ad alta temperatura, ovvero superconduttori in cui la temperatura è elevata al di sotto della quale predominano gli effetti quantomeccanici. Il nanofilo superconduttore assume quindi solo stati energetici selezionati che potrebbero essere utilizzati per codificare le informazioni. Nei superconduttori ad alta temperatura i ricercatori hanno anche potuto osservare per la prima volta l'assorbimento di un singolo fotone, una particella luminosa che serve a trasmettere informazioni.
“Da un lato, i nostri risultati possono contribuire all’uso futuro di una tecnologia di raffreddamento notevolmente semplificata nelle tecnologie quantistiche e, dall’altro, ci offrono informazioni completamente nuove sui processi che governano gli stati superconduttori e la loro dinamica, che sono ancora non capito”, sottolinea il responsabile dello studio Jun. Prof. Carsten Schuck dell’Istituto di fisica dell’Università di Münster. I risultati potrebbero quindi essere rilevanti per lo sviluppo di nuovi tipi di tecnologia informatica. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications.
Gli scienziati hanno utilizzato superconduttori costituiti dagli elementi ittrio, bario, ossido di rame e ossigeno, in breve YBCO, dai quali hanno fabbricato fili sottili di pochi nanometri. Quando queste strutture conducono corrente elettrica si verificano dinamiche fisiche chiamate "slittamento di fase". Nel caso dei nanofili 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, che corrispondono a meno 253 gradi Celsius. In combinazione con i calcoli del modello, hanno dimostrato una quantizzazione degli stati energetici nei nanofili. La temperatura alla quale i fili sono entrati nello stato quantistico è stata trovata tra 12 e 13 Kelvin, una temperatura diverse centinaia di volte superiore alla temperatura richiesta per i materiali normalmente utilizzati. Ciò ha consentito agli scienziati di produrre risonatori, ovvero sistemi oscillanti sintonizzati su frequenze specifiche, con durate molto più lunghe e in grado di mantenere gli stati quantomeccanici più a lungo. 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 rilevatori di fotoni singoli basati su superconduttori. Ciò che già funziona bene a basse temperature, gli scienziati di tutto il mondo stanno cercando di realizzarlo con i superconduttori ad alta temperatura da più di un decennio. Nei nanofili YBCO utilizzati per lo studio questo tentativo è riuscito per la prima volta. “Le nostre nuove scoperte aprono la strada a nuove descrizioni teoriche e sviluppi tecnologici verificabili sperimentalmente”, afferma il coautore Martin Wolff del gruppo di ricerca Schuck.
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Orario di pubblicazione: 07-apr-2020