Il primo motore quantistico costruito interamente dentro un circuito superconduttore è stato acceso all'Università di Aalto, in Finlandia. Il risultato, pubblicato il 13 luglio su Nature Communications, non serve a produrre energia utile: serve a risolvere un problema molto concreto per chi costruisce computer quantistici, la foresta di cavi che oggi tiene legati questi sistemi al mondo esterno.
Un ciclo Otto quantistico in tre pezzi
Il prototipo integra tre componenti su un singolo chip: un qubit di tipo transmon, uno degli standard usati anche nei processori superconduttori commerciali, un risonatore e un frigorifero a circuito quantistico. Tutto è raffreddato a temperature vicinissime allo zero assoluto dentro un criostato.
Il team, guidato dall'Academy Professor Mikko Möttönen, ha usato il frigorifero come sorgente sia calda sia fredda, riscaldando e raffreddando in sequenza il qubit e replicando così un ciclo di Otto, lo stesso principio termodinamico che regola i motori a scoppio. La differenza rispetto ai motori quantistici precedenti, realizzati con ioni intrappolati, è la scelta del materiale: qui tutto avviene dentro un circuito superconduttore, la piattaforma su cui si costruiscono i qubit più diffusi al mondo. Dopo ogni ciclo, la lettura dello stato del qubit ha registrato una potenza in uscita positiva, coerente con le simulazioni termodinamiche (Studio Aalto su Nature Communications, portale ricerca).
Mille qubit logici, milioni di cavi: il problema che il chip vuole risolvere
La strategia quantistica nazionale della Finlandia, pubblicata dal governo il 24 aprile 2025, ha fissato un obiettivo preciso al 2035: costruire un computer da 1000 qubit logici corretti dagli errori. Tradotto in hardware, secondo le stime del ministero degli Affari Economici, significa tra 50.000 e 1.000.000 di qubit fisici a seconda della tecnologia scelta (Strategia quantistica finlandese 2025-2035, Governo di Finlandia).
Sulle piattaforme superconduttrici, quelle di IBM, Google, Rigetti e della finlandese IQM (cofondata dallo stesso Möttönen), ogni qubit fisico ha bisogno di più cavi coassiali che dal criostato salgono all'elettronica a temperatura ambiente. Secondo Möttönen ognuno di quei cavi costa nell'ordine dei mille euro e introduce rumore nel sistema. Un milione di qubit fisici richiederebbe, con le tecnologie attuali, altrettanti milioni di cavi e una bolletta hardware nell'ordine dei miliardi solo per il cablaggio, prima ancora di parlare di refrigerazione, chip e software. È qui che si inserisce il lavoro di Aalto: se un dispositivo autonomo riesce a leggere lo stato dei qubit e a spostare calore direttamente sul chip, molti di quei cavi diventano superflui.
Perché è una svolta e perché non ancora
Il commento più cauto arriva da Tommaso Calarco, direttore dell'Istituto per il Controllo Quantistico di Jülich e coordinatore del Quantum Flagship europeo, che sul lavoro parla di fisica fondamentale: siamo ancora lontani dal livello di controllo e dalle energie necessarie a un computer quantistico industriale. La distanza si misura in due passaggi mancanti.
Il primo passaggio è che il motore attuale non è ancora autonomo: dipende da impulsi a microonde generati fuori dal chip, cioè da quei cavi che dovrebbe sostituire. Il gruppo sta lavorando a una versione senza controllo esterno. Il secondo passaggio è che il prototipo ha dimostrato pochi cicli, non una lettura ripetibile e stabile di un processore con centinaia di qubit. Da qui a un chip industriale c'è, in mezzo, un percorso di ingegnerizzazione. Il resto del quadro conferma che l'hardware quantistico avanza per tessere: dallo stesso mondo arrivano nuove simulazioni, come il calcolo quantistico applicato ai materiali per la fusione nucleare, che testano cosa i processori sanno davvero fare.
La prossima verifica arriverà quando lo stesso gruppo dimostrerà che il motore riesce a leggere lo stato di un qubit senza aiuti esterni. Se il passaggio riuscirà, il primo effetto pratico non sarà un'auto quantistica, ma un chip che si spiega da solo.
Domande frequenti
A cosa serve il motore quantistico realizzato all'Università di Aalto?
Il motore quantistico serve a risolvere il problema dell'elevato numero di cavi necessari per collegare i qubit dei computer quantistici al mondo esterno, non a produrre energia utile.
In che modo questo motore quantistico potrebbe ridurre il numero di cavi nei computer quantistici?
Se il dispositivo riesce a leggere lo stato dei qubit e a gestire il calore direttamente sul chip, molti dei cavi attualmente necessari per il controllo e la lettura dei qubit diventerebbero superflui, riducendo complessità e costi dell'hardware.
Quali sono le principali innovazioni rispetto ai precedenti motori quantistici?
La principale innovazione è l'integrazione completa in un circuito superconduttore, la stessa piattaforma usata nei processori quantistici commerciali, mentre i motori precedenti utilizzavano ioni intrappolati.
Quali sono i limiti attuali del prototipo sviluppato ad Aalto?
Il prototipo non è ancora autonomo perché dipende da impulsi a microonde esterni e ha dimostrato solo pochi cicli; manca ancora una lettura ripetibile e stabile su larga scala.
Quali sono i prossimi passi per questa tecnologia?
Il gruppo di ricerca sta lavorando a una versione autonoma del motore che non richieda controlli esterni e a una validazione su più cicli e qubit; solo dopo questi progressi si potrà parlare di applicazioni industriali.
