QUANDO LA SCIENZA INCONTRA IL FUTURO. ALLA SCUOLA NORMALE DI PISA REALIZZATA LA PRIMA BATTERIA A FASE QUANTICA.


Pisa, giugno 2020. Alla Scuola Normale di Pisa è stata realizzata la prima batteria a base quantica destinata verosimilmente a cambiare il settore informatico, delle telecomunicazioni e della medicina.

Immagine artistica della batteria di fase quantistica. I poli (blu) costituiti da elettrodi superconduttivi di alluminio e il corpo centrale (rosso) formato da un nanofilo di Arseniuro di Indio. [Crediti: Andrea Iorio- SNS]

Ho avuto l’onore di chiacchierare con colui che ha svolto il ruolo di primo autore nel progetto, il dottor Elia Strambini. Strambini, difatti, ha ideato l’esperimento con il Dott. Giazotto, ha coordinato i vari ricercatori coinvolti, eseguito le misure e scritto l’articolo con i contributi degli altri autori.

  1. Dottor Strambini, qual è l’importanza della scoperta? 

Da circa 20 anni è in atto una rivoluzione tecnologica di livello globale denominata “the second quantum revolution ” (vedi la pagina divulgativa https://qt.eu/ o vari libri o video pubblicati su questa area tematica). Lo scopo di questa rivoluzione è quello di superare i limiti tecnologici moderni con nanotecnologie e dispositivi di nuova concezione, basati sulla fisica quantistica nota ormai da decenni di studi e scoperte scientifiche. Le applicazioni a cui si aspira sono innumerevoli e includono per esempio:

  • 1) supercomputer di nuova concezione che potranno essere 100 o piu volte veloci dei migliori computer disponibili al momento;
  • 2) Computer quantistici cosi potenti che potranno risolvere problemi che ad oggi i computer classici non sanno affrontare, (per esempio simulare una molecola complessa che potrebbe distruggere il coronavirus, trovare farmaci innovativi senza dover fare milioni di prove sul campo, analizzare in pochi millesimi di secondo i big data dei server governativi o di Facebook, etc…);
  • 3) sensori di radiazione con sensibilità estreme per scoprire i misteri dell’universo o semplicemente gli esplosivi, valute false, droghe e le armi che passano da aeroporti o centri portuali.

Date le innumerevoli promesse e potenzialità di queste nuove tecnologie sia i governi di vari paesi (USA, Cina, Europa, India, etc) che varie compagnie private (Google, Microsoft, IBM, Intel, Alibaba, etc..) stanno investendo miliardi di euro per arrivare per primi nello sviluppo di queste nuove tecnologie ambite sia per motivi di sicurezza nazionale che per profitti stratosferici.

Ad oggi fra i circuiti più promettenti per realizzare queste nuove tecnologie ci sono i circuiti superconduttivi, fatti da metalli che a bassa temperatura non dissipano energia (cioè non scaldano) a differenza dei transistor classici che fanno parte dei nostri computer e cellulari. Per questa tipologia di circuiti ad oggi non esisteva ancora una batteria quantistica capace di alimentarli. In particolare questi circuiti non possono funzionare con delle batterie classiche che generano un voltaggio (la pila di volta) ma hanno bisogno di elementi “quantistici” che possano controllare la fase della componente “ondulatoria” del circuito. 

Noi nel laboratori NEST (National Enterprise for nanoScience and nanoTechnology) di Pisa abbiamo realizzato la prima batteria di fase quantistica e l’abbiamo testata su un semplice circuito superconduttivo. Questo rappresenta un mattone fondamentale per lo sviluppo di tutta l’elettronica superconduttiva basata sulla fase quantistica. Di fatto è come aver realizzato la pila di Volta per questa tipologia di circuiti. Presa singolarmente non ha alcuna utilità ma diventa fondamentale se integrata nei circuiti quantistici.

  • In quali settori potrà essere impiegata? 

Come spiegato precedentemente, I settori di utilizzo della batteria di fase superconduttiva sono tutti quelli legati all’elettronica superconduttiva. La batteria quantistica non potrà mai sostituire la pila di volta che usiamo nei nostri cellulari, elettrodomestici, etc… poiché è un elemento di concezione completamente diversa, ma sarà indispensabile per i circuiti quantistici del prossimo futuro per cui invece la pila di volta diventerà obsoleta. Fra i settori che utilizzeranno questi nuovi circuiti possono essere elencati:

-Militare e Sicurezza: con scanner innovativi ultrasensibili o computer in grado di decriptare qualunque messaggio o server di internet

-Salute: Simulatori quantistici o supercomputer potranno simulare e “inventare” nuove medicine o vaccini

-Intelligenza Artificiale: Supercomputer potranno sviluppare protocolli di intelligenza artificiale sempre più evoluti

-Aerospazio e Astrofisico: sensori di radiazione di nuova generazione potranno essere utilizzati nell’ingegneria aerospaziale e per l’astrofisica

  • Quali sono state le difficoltà riscontrate nel progetto?

Le difficoltà per arrivare alla prima batteria di fase quantistica non sono state poche, il progetto è iniziato circa due anni fa ed è stato completato da qualche mese. Per prima cosa, partendo dall’idea teorica sviluppata dai colleghi Spagnoli e da altri ricercatori internazionali, è stata ricercata la combinazione di materiali adeguati allo sviluppo della tecnologia. Poi si è dovuto fabbricare il nano-dispositivo, cioè il dispositivo che ha delle dimensioni nanometriche. Questo è stato fabbricato presso la camera bianca del NEST opportunamente equipaggiata di microscopi elettronici, evaporatori di metalli e camere di crescita per i nano-fili di Arseniuro di Indio che compongono la parte centrale della batteria. 

La batteria è stata quindi testata nel sistemi criogenici dei laboratori del CNR-NANO, gruppo SQEL (Superconducting Quantum Electronics Lab). Questi frigoriferi molto complessi permettono di arrivare a temperature prossime allo zero assoluto (cioè a -273 gradi circa) indispensabili per il funzionamento di questi circuiti. Negli stessi sistemi con dei forti campi magnetici è stato possibile caricare e scaricare la batteria in modo da dimostrarne il principio di funzionamento. L’analisi dei dati è stata quindi effettuata tramite dei modelli teorici sviluppati in collaborazione con i colleghi di san Sebastian e dell’Università di Salerno. 

Anna Vagli

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