Για την εκτέλεση κβαντικών υπολογισμών, τα κβαντικά bit (qubits) πρέπει να ψυχθούν σε θερμοκρασίες στην περιοχή millikelvin (κοντά στους -273 Κελσίου), έτσι ώστε να επιβραδυνθεί η ατομική κίνηση και να ελαχιστοποιηθεί ο θόρυβος. Ωστόσο, τα ηλεκτρονικά που χρησιμοποιούνται για τη διαχείριση αυτών των κβαντικών κυκλωμάτων παράγουν θερμότητα, η οποία είναι δύσκολο να αφαιρεθεί σε τόσο χαμηλές θερμοκρασίες. Οι περισσότερες σύγχρονες τεχνολογίες πρέπει επομένως να διαχωρίζουν τα κβαντικά κυκλώματα από τα ηλεκτρονικά τους στοιχεία, προκαλώντας θόρυβο και αναποτελεσματικότητα που εμποδίζουν την ανάπτυξη μεγαλύτερων κβαντικών συστημάτων πέρα από το εργαστήριο.
Ερευνητές στο Laboratory of Nanoscale Electronics and Structures (LANES) του EPFL, με επικεφαλής τον Andras Kis, κατασκεύασαν τώρα μια συσκευή που όχι μόνο λειτουργεί σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, αλλά το κάνει με απόδοση συγκρίσιμη με τις τρέχουσες τεχνολογίες σε θερμοκρασία δωματίου. Το δισδιάστατο σύστημα κβαντικής ψύξης που αναπτύχθηκε στο EPFL θα μπορούσε να βοηθήσει να ξεπεραστεί ένα σημαντικό εμπόδιο στην πρόοδο των τεχνολογιών κβαντικών υπολογιστών, οι οποίες απαιτούν εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Η συσκευή θα μπορούσε επίσης να ενσωματωθεί απευθείας σε κβαντικούς επεξεργαστές.
«Είμαστε οι πρώτοι που δημιουργήσαμε μια συσκευή που ταιριάζει με την απόδοση μετατροπής των σημερινών τεχνολογιών, αλλά που λειτουργεί στα χαμηλά μαγνητικά πεδία και στις εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες που απαιτούνται για τα κβαντικά συστήματα. Αυτή η εργασία είναι πραγματικά ένα βήμα μπροστά», λέει o φυσικός Gabriele Πασκουάλε.
Το επίτευγμα δημοσιεύτηκε στο Nature Nanotechnology, δείτε ΕΔΩ.
Αξιοποίηση του φαινομένου Nernst
Ο κβαντικός ψύκτης που αναπτύχθηκε στο EPFL αποτελείται από ένα στρώμα γραφενίου 2D σε συνδυασμό με σεληνιούχο ίνδιο και αξιοποιεί το φαινόμενο Nernst, ένα σύνθετο θερμοηλεκτρικό φαινόμενο που δημιουργεί ηλεκτρική τάση όταν ένα μαγνητικό πεδίο εφαρμόζεται κάθετα σε ένα αντικείμενο με μεταβαλλόμενη θερμοκρασία. Η δισδιάστατη φύση της εργαστηριακής συσκευής επιτρέπει τον ηλεκτρικό έλεγχο της αποτελεσματικότητας αυτού του μηχανισμού. Τα πειράματα περιέλαβαν τη χρήση ενός λέιζερ ως πηγής θερμότητας και ενός εξειδικευμένου ψυγείου αραίωσης για να φθάσουν τα 100 millikelvin-μια θερμοκρασία ακόμη πιο ψυχρή από το Διάστημα. Η μετατροπή θερμότητας σε ηλεκτρική τάση σε τόσο χαμηλές θερμοκρασίες είναι συνήθως εξαιρετικά δύσκολη, αλλά η νέα συσκευή και η αξιοποίηση του φαινομένου Nernst την καθιστούν δυνατή, καλύπτοντας ένα κρίσιμο κενό στην κβαντική τεχνολογία.
«Σκεφτείτε έναν φορητό υπολογιστή σε ένα κρύο γραφείο, που θα εξακολουθεί να θερμαίνεται καθώς λειτουργεί, προκαλώντας επίσης αύξηση της θερμοκρασίας του δωματίου. Στα συστήματα κβαντικών υπολογιστών δεν υπάρχει επί του παρόντος μηχανισμός που να εμποδίζει αυτή τη θερμότητα να διαταράξει τα qubits. Η συσκευή μας θα μπορούσε να παρέχει αυτή την απαραίτητη ψύξη» λέει ο Pasquale.
Ο ίδιος Pasquale τονίζει ότι αυτή η έρευνα είναι σημαντική επειδή ρίχνει φως στη μετατροπή θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική σε χαμηλές θερμοκρασίες-ένα φαινόμενο που δεν είχε διερευνηθεί μέχρι τώρα. Δεδομένης της υψηλής απόδοσης μετατροπής και της χρήσης δυνητικά κατασκευασμένων ηλεκτρονικών εξαρτημάτων, η ομάδα πιστεύει επίσης ότι η συσκευή της θα μπορούσε ήδη να ενσωματωθεί σε υπάρχοντα κβαντικά κυκλώματα χαμηλής θερμοκρασίας.
«Αυτά τα ευρήματα αντιπροσωπεύουν μια σημαντική πρόοδο στη νανοτεχνολογία και υπόσχονται την ανάπτυξη προηγμένων τεχνολογιών ψύξης που είναι απαραίτητες για τον κβαντικό υπολογισμό σε θερμοκρασίες millikelvin», λέει ο Pasquale.
«Πιστεύουμε ότι αυτό το επίτευγμα θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στα συστήματα ψύξης για μελλοντικές τεχνολογίες».
Πηγή: EPFL
