Quando pensiamo ai luoghi più freddi dell’Universo immaginiamo pianeti lontani, nebulose oscure o regioni dello spazio interstellare. Eppure, uno degli ambienti più estremi conosciuti si trova molto più vicino: in un laboratorio di Yorktown Heights, nello Stato di New York.
Qui IBM ha realizzato un enorme sistema criogenico progettato per mantenere i componenti di un computer quantistico a temperature di circa 15 millikelvin, appena 0,015 gradi sopra lo zero assoluto. Non si tratta del record assoluto di temperatura più bassa mai ottenuta dall’uomo, ma di una temperatura sufficientemente estrema da permettere il funzionamento dei delicatissimi circuiti quantistici che IBM sta sviluppando in vista di una nuova generazione di computer.
Il risultato può sembrare quasi paradossale: per costruire computer destinati a eseguire calcoli sempre più complessi, gli scienziati devono prima portarli in un ambiente nel quale quasi tutto il movimento termico viene congelato.
Che cosa significa arrivare vicino allo zero assoluto
La temperatura non è semplicemente una misura di quanto qualcosa sia “caldo” o “freddo”. A livello microscopico è legata all’energia associata al movimento delle particelle.
Lo zero assoluto corrisponde a 0 kelvin, cioè -273,15 °C. È il limite teorico inferiore della temperatura: non è possibile raggiungerlo esattamente attraverso un numero finito di processi fisici, ma gli scienziati possono avvicinarsi sempre di più.
Il sistema di IBM arriva a una temperatura di 15 millikelvin, ovvero circa -273,135 °C. A questa scala il comportamento della materia cambia radicalmente e gli effetti quantistici possono essere sfruttati in condizioni molto più controllate.
È una situazione estremamente diversa da quella dello spazio circostante la Terra. Il vuoto interstellare può essere molto freddo, ma un laboratorio criogenico è in grado di raggiungere temperature ancora più basse attraverso sofisticate tecniche di refrigerazione.
Perché un computer dovrebbe avere bisogno del freddo?
La domanda è tutt’altro che banale.
I computer tradizionali funzionano utilizzando bit che possono assumere valori ben definiti, generalmente indicati come 0 e 1. I computer quantistici utilizzano invece qubit, sistemi fisici che possono sfruttare fenomeni della meccanica quantistica come sovrapposizione e entanglement.
Il problema è che questi stati sono estremamente delicati.
Calore, vibrazioni, radiazioni elettromagnetiche e altre forme di interferenza possono disturbare il sistema e provocare errori nei calcoli. È il motivo per cui molte architetture di calcolo quantistico richiedono ambienti estremamente isolati e temperature prossime allo zero assoluto.
Abbassare la temperatura significa ridurre l’energia termica disponibile e, di conseguenza, limitare una parte delle perturbazioni che possono compromettere il comportamento dei qubit.
Il gigantesco “frigorifero” di IBM non serve quindi a raffreddare un normale computer. È una parte essenziale dell’architettura necessaria per far funzionare hardware quantistico avanzato.
Un frigorifero molto diverso da quello di casa
La parola frigorifero può essere fuorviante.
Il sistema criogenico utilizzato da IBM è una struttura enorme e altamente specializzata, progettata per creare una sequenza di ambienti a temperatura progressivamente più bassa. I diversi stadi permettono di passare dalle condizioni iniziali fino alla regione dei millikelvin.
I primi due moduli criogenici del nuovo sistema sono stati assemblati e collegati. Secondo IBM, sono stati inizialmente raffreddati fino a circa 4 kelvin, una temperatura prossima a quella raggiungibile con l’elio liquido, in meno di cinque giorni, per poi procedere verso temperature ancora inferiori.
La modularità è uno degli aspetti più importanti del progetto. L’obiettivo non è semplicemente costruire una macchina estremamente fredda, ma realizzare un’infrastruttura che possa essere ampliata nel tempo e ospitare sistemi quantistici sempre più grandi.
Il vero obiettivo: computer quantistici tolleranti ai guasti
Dietro questa corsa al freddo c’è una sfida ancora più ambiziosa: costruire un computer quantistico fault-tolerant, cioè tollerante ai guasti.
I qubit sono molto più vulnerabili agli errori rispetto ai bit dei computer convenzionali. Quando il numero di qubit aumenta, cresce anche la complessità del sistema e diventa necessario sviluppare tecniche capaci di identificare e correggere gli errori senza distruggere l’informazione quantistica.
La correzione degli errori quantistici è quindi considerata uno dei principali ostacoli verso macchine capaci di affrontare problemi realmente al di là delle possibilità dei computer classici.
IBM ha indicato il 2029 come orizzonte per arrivare a un computer quantistico su larga scala e tollerante ai guasti, anche se si tratta naturalmente di un obiettivo tecnologico e non di un risultato già raggiunto.
Non è il record di temperatura più bassa
C’è però una precisazione importante.
Dire che il frigorifero IBM è “uno dei luoghi più freddi dell’Universo” è suggestivo, ma non significa che abbia stabilito il record assoluto di temperatura più bassa mai raggiunta dall’uomo.
Quel primato appartiene a esperimenti con atomi ultrafreddi capaci di arrivare a temperature enormemente inferiori. Nel 2018, il team QUANTUS dell’Università di Brema ha raggiunto circa 38 picokelvin, cioè 38 miliardesimi di un miliardesimo di kelvin sopra lo zero assoluto.
Il confronto rende bene l’idea della scala: 15 millikelvin sono milioni di volte più caldi di 38 picokelvin.
Ma la temperatura più bassa possibile non è necessariamente quella più utile per ogni tecnologia. Nel caso dei computer quantistici, ciò che conta è raggiungere condizioni sufficientemente fredde e stabili per far funzionare l’architettura prevista.
La sfida è anche ingegneristica
Portare un dispositivo a temperature così basse è soltanto una parte del problema. Il vero ostacolo è riuscire a mantenerlo operativo mentre viene raffreddato e collegato all’esterno.
Un computer quantistico ha bisogno di comunicare con apparecchiature che si trovano a temperature molto più elevate. Deve quindi essere attraversato da collegamenti elettrici e sistemi di controllo capaci di trasmettere segnali senza introdurre una quantità di calore tale da compromettere l’ambiente criogenico.
È una sfida ingegneristica notevole: bisogna costruire un sistema nel quale il freddo estremo conviva con l’elettronica, i cavi, i controlli e i processori necessari al funzionamento della macchina.
Per questo la possibilità di collegare diversi moduli criogenici rappresenta un passaggio significativo. La scalabilità non riguarda soltanto il numero di qubit, ma l’intera infrastruttura che deve mantenerli nelle condizioni necessarie.
Perché la tecnologia quantistica interessa così tanto
Il calcolo quantistico viene studiato per la possibilità di affrontare determinate categorie di problemi con approcci radicalmente diversi da quelli utilizzati dai computer tradizionali.
Non significa che un computer quantistico sarà semplicemente “più veloce” del nostro portatile per qualsiasi operazione. Il suo potenziale riguarda soprattutto problemi specifici, come alcune simulazioni chimiche e fisiche, l’ottimizzazione e determinati algoritmi matematici.
Ma perché questo potenziale diventi concretamente sfruttabile servono macchine molto più affidabili di quelle attuali.
Da qui nasce la necessità di correzione degli errori, maggiore numero di qubit, controllo estremamente preciso e infrastrutture criogeniche scalabili.
La temperatura diventa parte del computer
La storia del frigorifero quantistico di New York racconta quindi qualcosa di più curioso di una semplice gara tecnologica.
Nel computer tradizionale, la temperatura è soprattutto un problema da gestire: quando i componenti si scaldano troppo, possono rallentare o danneggiarsi. Nel calcolo quantistico, invece, raggiungere temperature estreme diventa una condizione necessaria per creare l’ambiente nel quale la tecnologia può funzionare.
Il freddo non è quindi un accessorio.
È parte integrante della macchina.
E la cosa forse più sorprendente è che 15 millikelvin, una temperatura inimmaginabile nella vita quotidiana e quasi indistinguibile dallo zero assoluto, non rappresentano nemmeno il limite di ciò che la fisica sperimentale riesce a raggiungere.
Il record assoluto è molto più in basso. Ma la sfida di IBM è diversa: non vuole semplicemente raggiungere la temperatura più bassa possibile. Vuole trasformare quel freddo estremo in una tecnologia scalabile, controllabile e utilizzabile per costruire computer quantistici capaci di correggere i propri errori.
È una delle grandi contraddizioni della tecnologia del futuro: per spingere i computer verso capacità sempre più straordinarie, gli ingegneri devono portarli in un ambiente quasi immobile, dove la materia è a pochi millesimi di grado dallo zero assoluto.
