Революционная технология охлаждения может помочь активизировать квантовые вычисления и сократить дорогостоящее время подготовки к ключевым научным экспериментам на несколько недель.
Ученым часто приходится генерировать температуры, близкие к абсолютный ноль для квантовых вычислений и астрономии, среди прочего. Такие температуры, известные как «большое охлаждение», защищают самые чувствительные электрические приборы от помех, например, от изменений температуры. Однако холодильники, используемые для достижения таких температур, чрезвычайно дороги и неэффективны.
Однако ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) — правительственного агентства США — создали новый прототип холодильника, который, по их утверждению, может достичь «большого охлаждения» гораздо быстрее и эффективнее.
Исследователи опубликовали подробности о своей новой машине 23 апреля в журнале Nature Communications. Они заявили, что его использование может сэкономить 27 миллионов ватт электроэнергии в год и сократить глобальное потребление энергии на 30 миллионов долларов.
Новое поколение холодильников
Обычные бытовые холодильники работают за счет процесса испарения и конденсации. Живая наука. Жидкий хладагент проталкивается через специальную трубку низкого давления, называемую «змеевиком испарителя».
Испаряясь, он поглощает тепло, охлаждая внутреннюю часть холодильника, а затем проходит через компрессор, который превращает его обратно в жидкость, повышая ее температуру, поскольку она излучается через заднюю часть холодильника.
Связанный: «Самый чистый в мире кремний» может привести к созданию первых квантовых вычислительных чипов на миллион кубитов
Для достижения необходимых температур ученые уже более 40 лет используют холодильники с импульсной трубкой (ПТР). В PTR используется газообразный гелий в аналогичном процессе, но с гораздо лучшим поглощением тепла и без движущихся частей.
Несмотря на свою эффективность, он потребляет огромное количество энергии, его эксплуатация дорогая и занимает много времени. Однако исследователи NIST также обнаружили, что PTR совершенно неэффективны и могут быть значительно улучшены, чтобы сократить время охлаждения и снизить общую стоимость.
В исследовании ученые заявили, что PTR «страдают от серьезной неэффективности», например, из-за того, что они оптимизированы «для работы только при базовой температуре» — обычно около 4 Кельвинов. Это означает, что во время остывания PTR работают на крайне неэффективном уровне, добавили они.
Команда обнаружила, что, изменив конструкцию ПТР между компрессором и холодильником, гелий стал использоваться более эффективно. Во время охлаждения часть жидкости обычно попадает в предохранительный клапан, а не перемещается по контуру, как предполагалось.
Квантовые вычисления за небольшую плату
Предлагаемая ими модернизация включает в себя клапан, который сжимается при падении температуры, чтобы предотвратить потерю гелия таким образом. В результате модифицированный PTR команды NIST достиг «большого охлаждения» в 1,7–3,5 раза быстрее, говорят ученые в своей статье.
«В небольших экспериментах по созданию прототипов квантовых схем, где время охлаждения в настоящее время сопоставимо со временем определения характеристик, динамическая акустическая оптимизация может существенно повысить производительность измерений», — пишут исследователи.
В своем исследовании исследователи заявили, что новый метод может сэкономить как минимум неделю экспериментов в Криогенной подземной обсерватории редких событий (CUORE) — объекте в Италии, который используется для поиска редких событий, таких как теоретическая в настоящее время форма радиоактивного распада. . Для получения точных результатов на этих установках необходимо добиться как можно меньшего фонового шума.
Квантовые компьютеры нуждаются в аналогичном уровне изоляции. Они используют квантовые биты или кубиты. Обычные компьютеры хранят информацию в битах и кодируют данные со значением либо 1, либо 0 и выполняют вычисления последовательно, но кубиты занимают суперпозицию 1 и 0, благодаря законам квантовая механикаи может использоваться для параллельной обработки вычислений. Однако кубиты невероятно чувствительны, и их необходимо изолировать от как можно большего количества фонового шума, включая крошечные колебания тепловой энергии.
Исследователи заявили, что в ближайшем будущем теоретически могут быть созданы еще более эффективные методы охлаждения, что может привести к более быстрым инновациям в области квантовых вычислений.
Команда также заявила, что их технология может быть альтернативно использована для достижения экстремально низких температур за то же время, но с гораздо меньшими затратами, что может принести пользу криогенной промышленности, сократив затраты на не требующие много времени эксперименты и промышленное применение. В настоящее время ученые работают с промышленным партнером над коммерческим выпуском улучшенного PTR.
