Dwuwymiarowe urządzenie do chłodzenia kwantowego

Aby wykonać obliczenia kwantowe, kubity muszą zostać schłodzone do temperatur rzędu milikelwinów (blisko -273 stopni Celsjusza), aby spowolnić ruch atomów i zredukować hałas. Jednakże elektronika używana do obsługi tych obwodów kwantowych generuje ciepło, które jest trudne do usunięcia w tak niskich temperaturach. Większość obecnych technologii musi zatem oddzielać obwody kwantowe od ich elementów elektronicznych, powodując hałas i nieefektywność, które utrudniają realizację większych układów kwantowych poza laboratorium.

Naukowcy z Laboratorium Elektroniki i Nanostruktur Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Lozannie (KorytarzeZespół naukowców kierowany przez Andrasa Kissa z Wydziału Inżynierii wyprodukował urządzenie, które nie tylko działa w ekstremalnie niskich temperaturach, ale robi to z wydajnością porównywalną z obecnymi technologiami w temperaturze pokojowej.

„Jako pierwsi stworzyliśmy urządzenie, które pod względem wydajności konwersji dorównuje istniejącym technologiom, ale działa przy niskich polach magnetycznych i ekstremalnie niskich temperaturach wymaganych w układach kwantowych. Ta praca to naprawdę krok naprzód” – mówi doktorantka LANES Gabriele Pasquale.

Innowacyjne urządzenie łączy w sobie doskonałą przewodność elektryczną grafenu z półprzewodnikowymi właściwościami selenku indu. Urządzenie o grubości zaledwie kilku atomów zachowuje się jak obiekt dwuwymiarowy, a nowe połączenie materiałów i struktury zapewnia mu niespotykaną dotąd wydajność. Osiągnięcie to zostało opublikowane w czasopiśmie Naturalna nanotechnologia.

Wykorzystanie efektu Nernsta

Urządzenie wykorzystuje zjawisko Nernsta: złożone zjawisko termoelektryczne, które generuje napięcie elektryczne, gdy pole magnetyczne zostanie przyłożone prostopadle do obiektu o zmiennej temperaturze. Dwuwymiarowy charakter urządzenia laboratoryjnego pozwala na elektryczną kontrolę wydajności tego mechanizmu.

Strukturę 2D wykonano w Centrum Mikro-Nanotechnologii EPFL i Laboratorium LANES. Eksperymenty obejmowały użycie lasera jako źródła ciepła i specjalistycznej lodówki rozcieńczającej w celu osiągnięcia temperatury 100 milikelwinów, czyli temperatury niższej niż w przestrzeni kosmicznej. Przekształcenie ciepła w napięcie w bardzo niskich temperaturach jest zwykle bardzo trudne, ale nowe urządzenie i wykorzystanie efektu Nernsta umożliwia to, wypełniając krytyczną lukę w technologii kwantowej.

„Jeśli pomyślisz o laptopie w zimnym biurze” – mówi Pasquale – „laptop będzie się nagrzewał podczas pracy, powodując również wzrost temperatury w pomieszczeniu”. W systemach obliczeń kwantowych nie ma obecnie mechanizmu, który mógłby temu zapobiec ciepło z zakłócania kubitów. Nasze urządzenie może zapewnić niezbędne chłodzenie.

Pasquale, fizyk z wykształcenia, podkreśla, że ​​badania te są ważne, ponieważ rzucają światło na konwersję energii cieplnej w niskich temperaturach – zjawisko, które nie było dotychczas badane. Ze względu na wysoką wydajność konwersji i wykorzystanie możliwych do wyprodukowania komponentów elektronicznych zespół LANES jest również przekonany, że ich urządzenie można faktycznie zintegrować z istniejącymi niskotemperaturowymi obwodami kwantowymi.

„Wyniki te stanowią poważny postęp w nanotechnologii i zwiastują rozwój zaawansowanych technik chłodzenia niezbędnych do obliczeń kwantowych w temperaturach milikelwinowych” – mówi Pasquale. „Wierzymy, że ten przełom może zrewolucjonizować systemy chłodzenia dla przyszłych technologii”.