Un calorimetro costruito ad Aalto, in Finlandia, ha misurato un impulso elettromagnetico da 0,83 zeptojoule: l'energia che serve per sollevare di un nanometro un oggetto della massa di un globulo rosso. È la lettura più piccola mai ottenuta con uno strumento di questo tipo, e sposta la soglia di rumore della fisica dei microonde di quasi venti volte.
Sensibilità record per la fisica quantistica
Il gruppo guidato da Mikko Möttönen, in collaborazione con l'azienda di computer quantistici IQM e con il centro di ricerca tecnica VTT, ha pubblicato il risultato su Zeptojoule calorimetry su Nature Electronics il 12 maggio 2026. Lo strumento è un sensore termico che combina superconduttori e conduttori ordinari, ed entra in funzione a temperature millikelvin: lo stesso regime in cui vivono i qubit dei calcolatori quantistici. La risoluzione dichiarata è di 0,95 ± 0,02 zJ a piena larghezza a metà altezza, pari a 5,9 ± 0,12 meV. In termini di luce equivale a 170 fotoni a 8,4 GHz, la frequenza dell'impulso a microonde usato per il test.
Il salto da 17,6 a 0,95 zJ
Il numero che racconta la portata del lavoro non è la soglia raggiunta, ma il salto dalla precedente. Prima di questo esperimento lo stato dell'arte calorimetrico si fermava a 17,6 zJ di risoluzione: la nuova misura porta il limite a 0,95 zJ, una sensibilità diciotto volte più fine. Le stime teoriche degli ultimi anni prevedevano 0,75 zJ con assorbitori metallici e 0,05 zJ con il grafene; il gruppo finlandese ha quindi confermato sperimentalmente la frontiera bassa della curva metallica e ha avvicinato la soglia che separa la fisica dei calorimetri dal conteggio del singolo fotone a 10 GHz. Per arrivarci, Möttönen e colleghi sfruttano un effetto di fragilità della superconduttività: la combinazione di metalli scelta perde lo stato superconduttore al minimo aumento termico, e quel collasso diventa la firma rilevabile dell'energia in ingresso. Il dispositivo non richiede amplificatori esterni, che nei calorimetri tradizionali introducono rumore proprio nella banda in cui si vogliono leggere i qubit. La scelta dei materiali è il fattore decisivo, come accade nelle ricerche su nuovi reticoli durissimi, ad esempio i diamanti sintetici cinesi più duri del naturale. Il comunicato dell'Università Aalto mette a disposizione anche il dataset completo dell'esperimento.
Cosa cambia per qubit, fotoni e materia oscura
Le applicazioni indicate dal team non sono retoriche. Per il calcolo quantistico, il calorimetro consente la lettura dei qubit alle stesse temperature millikelvin in cui questi operano, senza stadi di amplificazione che oggi limitano la fedeltà di misura e introducono cicli di calibrazione costosi. Il sensore lavora sul calore dell'impulso, non sul segnale elettrico amplificato, e questo cambia la natura del rumore di fondo. Per la fotonica, contare il singolo fotone a 10 GHz è il prerequisito di telescopi capaci di catturare sorgenti molto deboli, come le emissioni che arrivano dall'epoca delle prime strutture luminose dell'universo neonato, e dei protocolli di crittografia quantistica più sicuri. Per la fisica fondamentale, la stessa sensibilità rende plausibile la rilevazione degli assioni, le ipotetiche particelle di materia oscura che dovrebbero generare fotoni a microonde molto deboli quando attraversano un campo magnetico intenso: i cacciatori di assioni come ADMX e HAYSTAC dipendono proprio da rivelatori che escano dal rumore termico nella banda dei GHz. Una misura precisa è il filtro che separa la scoperta dal falso positivo, come il segnale geochimico che ha permesso di datare il cratere di impatto più antico mai identificato sulla Terra.
Il prossimo passo, dichiarato da Möttönen, è ridurre la finestra temporale di lettura dal microsecondo attuale alla scala dei nanosecondi: solo a quel ritmo la singola emissione di un qubit smette di essere un dettaglio statistico e diventa un dato leggibile in tempo reale. Sul fronte industriale il sensore dovrà essere integrato nei chiplet di lettura dei processori IQM, dove Aalto e VTT condividono con l'azienda l'infrastruttura nazionale OtaNano dedicata alle tecnologie quantistiche.
Domande frequenti
Qual è l'importanza della nuova sensibilità raggiunta dal calorimetro di Aalto?
La sensibilità record di 0,95 zeptojoule consente di misurare impulsi energetici estremamente deboli, diciotto volte più piccoli rispetto ai precedenti limiti tecnologici. Questo risultato apre nuove possibilità per la lettura precisa dei qubit e la ricerca in fisica fondamentale.
In che modo il calorimetro di Aalto migliora la lettura dei qubit nei computer quantistici?
Il nuovo calorimetro permette la lettura dei qubit direttamente alle basse temperature operative, eliminando la necessità di amplificatori esterni che introducono rumore e riducono la fedeltà della misura. Questo può aumentare l'affidabilità e l'efficienza delle operazioni nei computer quantistici.
Quali sono le principali applicazioni del calorimetro oltre al calcolo quantistico?
Oltre al calcolo quantistico, il calorimetro può essere utilizzato nella fotonica per il conteggio dei singoli fotoni e nella ricerca della materia oscura, in particolare per la rilevazione degli assioni. La sua sensibilità permette di esplorare segnali molto deboli in diversi ambiti scientifici.
Come funziona il nuovo calorimetro e cosa lo rende così sensibile?
Il dispositivo combina superconduttori e conduttori normali che, a temperature millikelvin, perdono lo stato superconduttore al minimo aumento termico, generando un segnale rilevabile. L'assenza di amplificatori esterni e la scelta accurata dei materiali riducono il rumore e aumentano la precisione della misura.
Quali sono i prossimi passi nello sviluppo del calorimetro di Aalto?
Il prossimo obiettivo è ridurre la finestra temporale di lettura dal microsecondo al nanosecondo, rendendo possibile la lettura in tempo reale delle emissioni dei qubit. Inoltre, si punta all'integrazione del sensore nei chiplet dei processori quantistici industriali.
