Благодаря прорывному дизайну холодильника достижение абсолютного нуля для квантовых вычислений теперь происходит гораздо быстрее.

Благодаря прорывному дизайну холодильника достижение абсолютного нуля для квантовых вычислений теперь происходит гораздо быстрее.

1 мин


Революционная технология охлаждения может помочь активизировать квантовые вычисления и сократить дорогостоящее время подготовки к ключевым научным экспериментам на несколько недель.

Учёным часто приходится генерировать температуры, близкие к абсолютному нулю, для квантовых вычислений и астрономии, а также для других целей. 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.

Благодаря прорывному дизайну холодильника достижение абсолютного нуля для квантовых вычислений теперь происходит гораздо быстрее.
Новое открытие в технологии охлаждения может помочь воплотить в жизнь квантовые вычисления раньше, чем ожидалось. Изображение: Bartlomiej Wroblewski via Getty Images

Однако учёные 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 холодильники для домашнего использования работают по принципу испарения и конденсации. Жидкость-хладагент прокачивается через специальную трубку низкого давления, называемую «испарительной катушкой».

При испарении она поглощает тепло, чтобы охладить внутреннюю часть холодильника, а затем проходит через компрессор, который снова превращает её в жидкость, повышая её температуру, когда она излучается через заднюю стенку холодильника.

Для достижения необходимых температур учёные уже более 40 лет используют холодильники с импульсной трубкой (pulse tube refrigerators, или PTR). PTR используют газообразный гелий в аналогичном процессе, но с гораздо лучшим поглощением тепла и без подвижных частей.

Несмотря на свою эффективность, он потребляет огромное количество энергии, его эксплуатация дорога и занимает много времени. Тем не менее, исследователи из Национального института стандартов и технологий также обнаружили, что PTR излишне неэффективны и могут быть значительно улучшены для сокращения времени охлаждения и снижения общей стоимости.

В исследовании учёные отметили, что PTR «страдают от серьёзной 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 учёных обнаружила, что путём корректировки конструкции PTR между компрессором и холодильником гелий используется более эффективно. Во время охлаждения часть гелия обычно выводится через предохранительный клапан, а не циркулирует по контуру, как это задумывалось.

Квантовые вычисления за небольшую плату

Предлагаемая ими модернизация включает в себя клапан, который сжимается при падении температуры, чтобы таким образом предотвратить потерю гелия. В результате модифицированный PTR команды NIST достиг «большого охлаждения» в 1,7–3,5 раза быстрее, отмечают учёные в своей статье.

«В небольших экспериментах по созданию прототипов квантовых схем, где время охлаждения в настоящее время сравнимо со временем определения характеристик, динамическая акустическая оптимизация может существенно повысить производительность измерений», — пишут исследователи.

В своём исследовании учёные 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 научно-теоретическая форма радиоактивного распада. Для получения точных результатов на этих установках необходимо добиться как можно меньшего фонового шума.

Квантовые компьютеры требуют аналогичного уровня изоляции. Они используют квантовые биты, или кубиты. Обычные компьютеры хранят информацию в битах и кодируют данные значением либо 1, либо 0, и выполняют вычисления последовательно, но кубиты находятся в суперпозиции 1 и 0 благодаря законам квантовой механики и могут использоваться для выполнения вычислений параллельно. Однако кубиты чрезвычайно чувствительны и должны быть изолированы от как можно большего количества фонового шума, включая крошечные колебания тепловой энергии.

Исследователи заявили, что в ближайшем будущем теоретически могут быть созданы ещё 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 в состоянии принести пользу криогенной промышленности, сократив затраты на не требующие много времени эксперименты и промышленное применение. В настоящее время учёные сотрудничают с промышленным партнёром над коммерческим выпуском улучшенного PTR.


Понравилось? Поделитесь с друзьями!

Комментарии

- комментариев

Включить уведомления Да Спасибо, не надо