Zaawansowana technologia chłodzenia może pomóc ożywić obliczenia kwantowe i skrócić o tygodnie kosztowny czas przygotowań kluczowych eksperymentów naukowych.
Naukowcy często muszą generować temperatury bliskie… Zero absolutne Między innymi do obliczeń kwantowych i astronomii. Temperatury te nazywane są „wielkim zimnem”, ponieważ chronią najbardziej wrażliwe urządzenia elektryczne przed zakłóceniami, takimi jak zmiany temperatury. Jednakże lodówki stosowane do osiągnięcia tych temperatur są bardzo drogie i nieefektywne.
Jednak naukowcy z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) – amerykańskiej agencji rządowej – zbudowali nowy prototyp lodówki, która ich zdaniem może zapewnić znaczne chłodzenie szybciej i wydajniej.
23 kwietnia naukowcy opublikowali szczegóły swojej nowej maszyny w czasopiśmie Nature Communications. Twierdzili, że jego zastosowanie mogłoby zaoszczędzić 27 milionów watów energii rocznie i zmniejszyć globalne zużycie energii o 30 milionów dolarów.
Nowa generacja lodówek
Tradycyjne lodówki domowe działają w procesie parowania i kondensacji Nauki żywe. Czynnik chłodniczy jest przetłaczany przez specjalną rurkę niskociśnieniową zwaną „cewką parownika”.
Parując, pochłania ciepło w celu schłodzenia wnętrza lodówki, a następnie przechodzi przez sprężarkę, która zamienia go z powrotem w ciecz, podnosząc jego temperaturę, gdy promieniuje z tyłu lodówki.
Powiązany: „Najczystszy krzem na świecie” może pomóc w wyprodukowaniu 1 miliona kwantowych chipów obliczeniowych
Aby osiągnąć pożądane temperatury, naukowcy od ponad 40 lat korzystają z lodówek z lampą pulsacyjną (PTR). Urządzenia PTR wykorzystują hel w podobnym procesie, ale z lepszą absorpcją ciepła i bez ruchomych części.
Choć skuteczny, zużywa ogromne ilości energii, jest drogi i czasochłonny w obsłudze. Jednakże badacze NIST odkryli również, że urządzenia PTR są niepotrzebnie niewydajne i można je znacznie ulepszyć, aby skrócić czas chłodzenia i obniżyć całkowity koszt.
W badaniu naukowcy stwierdzili, że urządzenia PTR „posiadają istotne wady”, takie jak optymalizacja „pod kątem wydajności tylko w temperaturze rdzenia” – zwykle bliskiej 4 kelwinom. Oznacza to, że podczas chłodzenia PTR działają w dużej mierze na nieefektywnym poziomie – dodali.
Zespół odkrył, że modyfikacja konstrukcji PTR pomiędzy sprężarką a lodówką pozwoliła na bardziej efektywne wykorzystanie helu. Podczas chłodzenia część z nich jest zwykle wtłaczana do zaworu nadmiarowego, zamiast być przepychana po obwodzie zgodnie z przeznaczeniem.
Obliczenia kwantowe za ułamek kosztów
Proponowane przeprojektowanie obejmuje zawór, z którego powietrze jest opróżniane wraz ze spadkiem temperatury, aby zapobiec marnowaniu helu w ten sposób. W rezultacie zmodyfikowany PTR zespołu NIST osiągnął wynik Big Chill od 1,7 do 3,5 razy szybciej, jak stwierdzili naukowcy w swoim artykule.
„W mniejszych eksperymentach modelujących obwody kwantowe, w których czasy chłodzenia są obecnie porównywalne z czasami charakteryzacji, dynamiczna optymalizacja akustyczna może znacznie zwiększyć przepustowość pomiarów” – napisali naukowcy.
Nowa metoda może zaoszczędzić co najmniej tydzień eksperymentów w Kriogenicznym Podziemnym Obserwatorium Rzadkich Zdarzeń (CUORE) – placówce we Włoszech, w której szukano rzadkich zdarzeń, takich jak obecna teoretyczna forma rozpadu radioaktywnego, stwierdzili naukowcy w swoim badaniu. Aby uzyskać dokładne wyniki z tych obiektów, należy osiągnąć jak najmniejszy poziom hałasu tła.
Komputery kwantowe wymagają podobnego poziomu izolacji. Używają bitów kwantowych, czyli kubitów. Tradycyjne komputery przechowują informacje w bitach, kodują dane o wartości 1 lub 0 i wykonują obliczenia sekwencyjnie, ale kubity zajmują superpozycję 1 i 0, dzięki prawom Mechanika kwantowaMożna ich używać do równoległego przetwarzania obliczeń. Kubity są jednak niezwykle wrażliwe i należy je oddzielić od możliwie największej ilości szumów tła, w tym niewielkich wahań energii cieplnej.
Teoretycznie w najbliższej przyszłości można opracować wydajniejsze metody chłodzenia, co mogłoby doprowadzić do szybszych innowacji w informatyce kwantowej – twierdzą naukowcy.
Zespół stwierdził również, że ich technologię można zamiast tego wykorzystać do jednoczesnego osiągnięcia bardzo niskich temperatur, ale przy znacznie niższych kosztach, co mogłoby przynieść korzyści przemysłowi kriogenicznemu, obniżając koszty eksperymentów i zastosowań przemysłowych, które nie trwają tak długo. Naukowcy współpracują obecnie z partnerem przemysłowym nad komercyjnym wypuszczeniem ulepszonego PTR.