Qubit, osservato un comportamento termico quantistico

Sono molte le domande aperte sul funzionamento dei singoli sistemi quantistici. In particolare, il potenziale di sovrapposizione degli stati ha implicazioni ancora inesplorate per il comportamento termodinamico. Ora, una collaborazione di ricercatori in Giappone, Ucraina e Stati Uniti ha prodotto un dispositivo quantistico che non solo può comportarsi in modo analogo ad un motore termico ed un frigorifero, ma può anche portare ad una sovrapposizione di entrambi allo stesso tempo.
I tre autori, che condividono un’affiliazione con RIKEN in Giappone, avevano tutti lavorato con i qubit in varie forme. Si sono riuniti per esaminare il comportamento di essi basati sulle impurità nel silicio per l’interferometria quantistica prima di rivolgere la loro attenzione a come il comportamento di questi sistemi potrebbe assomigliare ai classici motori termici.

La scoperta degli scienziati sui qubit

L’esplorazione della termodinamica a livello quantistico apre alcune possibilità intriganti. “Uno degli argomenti discussi in questo campo è la possibilità dei motori termici quantistici di superare l’efficienza di quelli classici”, suggerisce l’autore Shevchenko come esempio. Tuttavia, non è privo di sfide, il che significa che la maggior parte degli studi finora sono stati puramente teorici. Tra le altre caratteristiche, per l’ingegneria quantistica, è importante avere qubit che siano “caldi, densi e coerenti”.  Qui, “caldo” significa lavorare nel regime di pochi Kelvin, che, sebbene ancora piuttosto gelido, è tecnologicamente meno impegnativo rispetto ai sistemi che richiedono il raffreddamento a millikelvin. Il compromesso è che tali sistemi caldi sono più difficili da descrivere e controllare, ma qui i ricercatori sono stati in grado di sfruttare la loro vasta esperienza con qubit basati su silicio.

Ci sono però alcune differenze tra il funzionamento del loro dispositivo quantistico e un classico motore termico o frigorifero. In particolare, non ci sono bagni di calore, sebbene il loro dispositivo sia collegato a conduttori di tensione più alta e più bassa, che agiscono come analoghi elettrici dei bagni di calore. Tuttavia, afferma Shevchenko, “è sorprendente considerare la nuova possibilità di avere una sovrapposizione quantistica di un minuscolo motore e un minuscolo frigorifero”.