Come un computer quantistico ha aiutato la ricerca per migliorare l'efficienza dei pannelli fotovoltaici

I ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory statunitense, parte del Dipartimento dell’Energia, hanno sfruttato il computer quantistico Quantinuum System Model H1-1 per effettuare simulazioni volte a cercare nuovi materiali per rendere più efficienti i pannelli fotovoltaici. Nonostante le limitate capacità del dispositivo, i ricercatori sono riusciti a individuare un materiale che ha il potenziale di aumentare significativamente l’efficienza dei pannelli fotovoltaici, superando gli attuali limiti teorici.

I computer quantistici aiutano la ricerca nel fotovoltaico

“Le celle solari convenzionali hanno un’efficienza massima teorica del 33% circa, ma si è postulato che i materiali che esibiscono la fissione del singoletto possono superare tale limite ed essere più efficienti”, ha affermato Daniel Claudino, un ricercatore presso il gruppo di Scienze Computazionali Quantistiche dell’ORNL. “L’aspetto negativo è che è molto difficile capire a un livello fondamentale se un certo materiale esibisca la fissione del singoletto. C’è un requisito energetico specifico, ed è difficile trovare dei materiali che lo soddisfino.”

La fissione del singoletto è un processo in cui un singolo fotone è in grado di eccitare due elettroni. Per essere più specifici, un singolo fotone ad alta energia provoca la creazione di due eccitoni tripletta, ciascuno dei quali porta la metà dell’energia iniziale ed è in grado di creare una coppia elettrone-lacuna. Il fenomeno è interessante perché normalmente l’assorbimento di un singolo fotone ad alta energia non provoca un effetto diverso rispetto all’assorbimento di uno a bassa energia; con la fissione del singoletto, invece, si ha un assorbimento migliore di quelli ad alta energia. Secondo quanto affermano i ricercatori dell’Università di Cambridge, l’efficienza massima raggiungibile in questo modo sarebbe del 42%, ovvero significativamente più alta (circa un quarto) rispetto a quella delle celle fotovoltaiche tradizionali.

Il problema è che i materiali che mostrano questo tipo di comportamento sono pochi e difficili da ottenere: qualcosa di molto simile a cercare un ago in un pagliaio, e questo nonostante l’utilizzo della migliore tecnologia di calcolo a disposizione, inclusi i supercomputer.

Per superare i limiti dei computer classici, i ricercatori dell’ORNL hanno quindi usato il computer Quantinuum System Model H1-1 per cercare nuovi materiali attraverso delle simulazioni. Esattamente come farebbe uno studente che si ritrovi a dover risolvere un’equazione lunga e complessa, il loro primo passo è stato scomporre il problema in passaggi più piccoli e facili da calcolare, tramite tre strategie indipendenti. Hanno così scoperto che una molecola di H₄ lineare, in cui cioè quattro atomi di idrogeno sono in fila, ha i giusti livelli energetici perché vi sia il processo di fissione del singoletto.

L’aspetto però forse più rilevante della vicenda non è nella scoperta della molecola, che è molto difficile da produrre e mantenere stabile, ma nel fatto che la scoperta stessa sia stata fatta tramite un computer quantistico odierno. Si tratta infatti di uno dei primi casi di uso di un computer quantistico per ottenere un risultato pratico.

Secondo Claudino, il problema si presta particolarmente bene all’analisi tramite computer quantistici: “le energie della fissione del singoletto si basano sulle doppie eccitazioni elettroniche: due elettroni si muovo a un livello energetico superiore simultaneamente, fatto che è piuttosto difficile da individuare con gli algoritmi per i computer convenzionali. Ma il modo in cui funziona a livello fondamentale un computer quantistico può trattare naturalmente le correlazioni che portano al verificarsi di questo fenomeno della fissione del singoletto.”

“L’idea è che si vuole pensare a un modo per sfruttare i computer quantistici, ma solo per quei compiti specifici che sappiamo possono portare a termine meglio di quelli convenzionali”, continua Claudino, come riporta PV Magazine. “Eppure, anche in quel caso, si è limitati dallo stato dell’arte attuale che permette di arrivare solo a una certa dimensione o di portare a termine compiti che durano per un tempo limitato. Questo è il collo di bottiglia principale quando si guarda ai computer quantistici.”

Nonostante i limiti, i calcoli svolti con il Quantinuum System Model H1-1 hanno richiesto poche settimane, anziché diversi mesi, e hanno consentito al gruppo di ricerca di sviluppare competenze specifiche che li aiuteranno anche in ricerche future. Sarà interessante vedere come il System Model H2, che dispone di molti più qubit, saprà aiutare la ricerca, in particolare dopo aver migliorato il volume quantistico fino ai livelli da record del System Model H1-1.