An ultracompact dilution refrigerator for fast quantum device characterization

La ricerca di costruire un computer quantistico è una corsa contro il tempo, ma non un tipo di tempo misurato in secondi o minuti. È misurato nelle ore e nei giorni necessari per raffreddare una macchina alle temperature più fredde immaginabili. Per far funzionare i delicati circuiti di un computer quantistico, essi devono essere raffreddati a una temperatura di appena una frazione di grado sopra lo zero assoluto, uno stato in cui il moto caotico e vibratorio degli atomi quasi si arresta. Questo freddo estremo viene solitamente ottenuto utilizzando una macchina specializzata chiamata refrigeratore a diluizione, che agisce come un frigorifero super-potenziato. Per l'ultimo decennio, queste macchine sono state la spina dorsale della ricerca quantistica, permettendo agli scienziati di vedere quanto a lungo i loro bit quantistici, o qubit, possono conservare le loro informazioni prima di svanire. Tuttavia, le macchine tradizionali sono massicce, pesanti e incredibilmente lente da utilizzare. Una volta che uno scienziato ha finito di testare un nuovo design, deve aspettare un giorno intero o più perché la macchina si scaldi, sostituire il campione e si raffreddi di nuovo. Questo ciclo lento crea un collo di bottiglia, costringendo i ricercatori ad aspettare settimane o mesi per testare una singola nuova idea, rallentando drasticamente il ritmo della scoperta.

Un team di ricercatori in Francia e Germania ha ora costruito una soluzione che frantuma questo collo di bottiglia. Hanno costruito un refrigeratore a diluizione che è così piccolo da pesare solo tre chilogrammi, circa la massa di un grande laptop, e rientra in un cilindro largo solo dieci centimetri. Nonostante le sue dimensioni minuscole, questa macchina ultra compatta può raffreddare un campione fino a una temperatura base di settanta millikelvin, un livello di freddo sufficiente per far operare dispositivi quantistici superconduttori. Più importante ancora, lo fa con una velocità senza precedenti. Quando è vuota, la macchina può completare un ciclo completo di raffreddamento, riscaldamento e ritorno alla temperatura ambiente in appena un'ora e dodici minuti. Anche quando è caricata con il complesso cablaggio necessario per misurare un chip quantistico, l'intero processo richiede solo due ore e sei minuti. Ciò rappresenta una riduzione di venti volte del tempo rispetto ai sistemi convenzionali che dominano il campo oggi.

I ricercatori non hanno solo costruito una macchina più veloce; hanno dimostrato che questa velocità non avviene a scapito delle prestazioni. Per testare la loro invenzione, hanno installato un chip contenente due qubit superconduttori, un tipo di bit quantistico noto come fluxonium, che è notoriamente sensibile al calore e al rumore elettrico. In un normale ambiente di laboratorio, un tale chip verrebbe testato in un frigorifero massiccio di diverse tonnellate. Qui, il team ha posizionato il chip direttamente nel loro dispositivo in miniatura. Sono stati in grado di mappare la completa struttura energetica dei qubit, misurare quanto tempo potevano conservare l'informazione e testare quanto accuratamente potessero essere controllati. I risultati sono stati sorprendenti. Il team ha ottenuto una fedeltà di porta a singolo qubit fino al novantanove per cento, una misura di quanto accuratamente viene eseguita un'operazione quantistica. Questo livello di precisione è al limite fisico di ciò che è possibile alla temperatura operativa della loro macchina, dimostrando che il design compatto non ha introdotto errori nascosti o rumore che avrebbero rovinato l'esperimento.

Il successo di questo esperimento si basa su un intelligente riprogettazione dell'architettura interna della macchina. Inveve del layout tradizionale dove la parte più fredda si trova in basso, i ricercatori hanno invertito la geometria, posizionando lo stadio più freddo, noto come camera di miscelazione, proprio in cima. Questo design offre agli scienziati l'accesso diretto alla parte più fredda della macchina senza dover raggiungere in profondità in un tubo stretto e isolato. Semplifica il processo di montaggio di un campione e di sostituzione dei componenti, il che è fondamentale per un test rapido. La macchina utilizza una miscela di due isotopi dell'elio, un gas che diventa liquido a temperature estremamente basse, per creare l'effetto di raffreddamento. Minimizzando la quantità di materiale all'interno della macchina e snellendo il flusso di questo gas di raffreddamento, il team ha garantito che il sistema potesse smaltire il calore molto più velocemente dei suoi corrispettivi più grandi. L'intero apparato è così leggero e piccolo che potrebbe potenzialmente essere inserito nei stretti portelli di accesso di magneti ad alta potenza o utilizzato insieme ad altri esperimenti senza richiedere una fondazione dedicata e pesante.

Sebbene la macchina sia un prodigio di velocità e dimensioni, i ricercatori sono stati attenti a essere onesti riguardo ai suoi limiti. La potenza di raffreddamento che genera è circa dieci volte inferiore a quella di un frigorifero standard su larga scala, e la sua temperatura base è leggermente più calda. Ciò significa che per esperimenti che richiedono le temperature assolutamente più fredde o i tempi di conservazione più lunghi possibili per l'informazione quantistica, le macchine tradizionali grandi rimangono superiori. Tuttavia, il nuovo dispositivo non è destinato a sostituire quei giganti. Invece, offre una via pratica per lo screening ad alto rendimento. Nello sviluppo dell'hardware quantistico, gli ingegneri devono spesso testare decine di design leggermente diversi per vedere quale funzioni meglio. Con una macchina convenzionale, testare un singolo design potrebbe richiedere una settimana, rendendo impossibile iterare rapidamente. Con questo nuovo dispositivo, un ricercatore potrebbe testare un nuovo design, analizzare i risultati e iniziare a testare il successivo entro poche ore. Questo ciclo di feedback rapido permette un raffinamento molto più veloce dei materiali e dei design dei circuiti, accelerando l'intero processo di ingegneria.

Il team ha anche dimostrato che la macchina può gestire i complessi segnali elettrici necessari per comunicare con il chip quantistico. Hanno instradato segnali a microonde attraverso cavi coassiali che sono ancorati a diversi stadi di temperatura per garantire che i segnali rimanessero puliti e privi di rumore. Nonostante lo spazio ristretto, che ha limitato il numero di filtri che potevano installare, il rumore del sistema è rimasto abbastanza basso da poter leggere lo stato dei qubit con alta precisionità. Le misurazioni hanno mostrato che i qubit si comportavano esattamente come previsto dalla teoria, con le loro prestazioni limitate solo dalla temperatura dell'ambiente, non dalla qualità della macchina stessa. Ciò conferma che il design compatto non compromette la qualità dei dati, una scoperta critica che valida l'approccio per l'uso futuro.

Guardando al futuro, i ricercatori vedono un percorso chiaro verso ulteriori miglioramenti. Notano che la temperatura base potrebbe essere abbassata e la schermatura contro il rumore potrebbe essere potenziata nelle versioni future, il che spingerebbe le prestazioni ancora più vicine ai livelli dei sistemi più grandi. Evidenziano inoltre che la macchina è economica da gestire e abbastanza piccola da poter essere distribuita in più unità simultaneamente. Ciò apre la porta a un nuovo tipo di flusso di lavoro in cui molte piccole macchine lavorano in parallelo, ognuna testando un diverso dispositivo quantistico, invece di fare affidamento su una singola macchina massiccia che tutti devono aspettare per usare. Oltre al laboratorio, la semplicità e il basso costo del sistema lo rendono uno strumento ideale per l'istruzione, permettendo agli studenti di acquisire esperienza pratica con la tecnologia quantistica superconduttrice senza dover accedere a una struttura da milioni di dollari. Trasformando un processo che un tempo richiedeva giorni in uno che richiede ore, questo refrigeratore ultra compatto offre una via pratica per accelerare lo sviluppo dei computer quantistici del futuro.