Вчені розробили ефективний пристрій для квантового охолодження

Інженери з EPFL розробили пристрій, здатний ефективно перетворювати тепло в електричну напругу при температурах навіть нижчих, ніж ті, що зустрічаються в космосі. Цей прорив може значно просунути квантові обчислювальні технології, усунувши головну перешкоду.

Для виконання квантових обчислень квантові біти (кубіти) потрібно охолодити до температур у діапазоні мілікельвінів (близько до -273 градусів за Цельсієм ), щоб зменшити рух атомів і мінімізувати шум. Однак електроніка, яка використовується для керування цими квантовими схемами, генерує тепло, яке важко розсіювати за таких низьких температур. Отже, більшість сучасних технологій повинні відокремлювати квантові схеми від їхніх електронних компонентів, що призводить до шуму та неефективності, які перешкоджають розробці більших квантових систем за межами лабораторії.

Дослідники з Лабораторії нанорозмірної електроніки та структур (LANES) EPFL на чолі з Андрашем Кішем у Школі інженерії створили пристрій, який не тільки працює при надзвичайно низьких температурах, але й робить це з ефективністю, порівнянною з поточними технологіями при кімнатній температурі.

«Ми перші, хто створив пристрій, який відповідає ефективності перетворення сучасних технологій, але який працює при низьких магнітних полях і наднизьких температурах, необхідних для квантових систем. Ця робота справді є кроком попереду», — каже аспірант LANES Габріеле Паскуале.

Інноваційний пристрій поєднує чудову електропровідність графену з напівпровідниковими властивостями селеніду індію. Товщиною лише кілька атомів, він веде себе як двовимірний об’єкт, і ця нова комбінація матеріалів і структури забезпечує його безпрецедентну продуктивність. Досягнення було опубліковано в Nature Nanotechnology.

Використання ефекту Нернста

Пристрій використовує ефект Нернста: складне термоелектричне явище, яке генерує електричну напругу, коли магнітне поле прикладається перпендикулярно до об’єкта зі змінною температурою. Двовимірність пристрою лабораторії дозволяє контролювати ефективність цього механізму електрично.

2D-структура була виготовлена ​​в Центрі мікронанотехнологій EPFL і лабораторії LANES. Експерименти включали використання лазера як джерела тепла та спеціалізованого холодильника для розведення, щоб досягти 100 мілікельвінів – температури навіть нижчої, ніж у космосі. Перетворення тепла в напругу при таких низьких температурах зазвичай надзвичайно складне, але новий пристрій і використання ефекту Нернста роблять це можливим, заповнюючи критичну прогалину в квантовій технології.

«Якщо ви думаєте про ноутбук у холодному офісі, ноутбук все одно буде нагріватися під час роботи, спричиняючи підвищення температури в кімнаті. У квантових обчислювальних системах наразі немає механізму, який би запобігв впливу цього тепла на кубіти. Наш пристрій може забезпечити це необхідне охолодження», — каже Паскуале.

Фізик за освітою, Паскуале підкреслює, що це дослідження є значущим, оскільки воно проливає світло на перетворення термоелектричної енергії при низьких температурах – явище, яке досі мало вивчене. Враховуючи високу ефективність перетворення та використання потенційно технологічних електронних компонентів, команда LANES також вважає, що їхній пристрій уже можна інтегрувати в існуючі низькотемпературні квантові схеми.

«Ці знахідки являють собою серйозний прогрес у нанотехнологіях і обіцяють розробку передових технологій охолодження, необхідних для квантових обчислень при температурах мілікельвінів», — говорить Паскуале. «Ми вважаємо, що це досягнення може революціонізувати системи охолодження для майбутніх технологій».