O tehnologie inovatoare de răcire ar putea ajuta la revigorarea calculului cuantic și la reducerea timpului costisitor de pregătire în experimentele științifice cheie cu câteva săptămâni.
Oamenii de știință trebuie adesea să genereze temperaturi apropiate de zero absolut pentru calcul cuantic și astronomie, printre alte utilizări. Cunoscute sub numele de „Big Chill”, astfel de temperaturi țin cele mai sensibile instrumente electrice fără interferențe, cum ar fi schimbările de temperatură. Cu toate acestea, frigiderele folosite pentru a atinge aceste temperaturi sunt extrem de costisitoare și ineficiente.
Cu toate acestea, oamenii de știință de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST) – o agenție guvernamentală din SUA – au construit un nou prototip de frigider despre care susțin că poate realiza Big Chill mult mai rapid și mai eficient.
Cercetătorii au publicat detaliile noii lor mașini pe 23 aprilie în jurnal Comunicarea naturii. Ei au susținut că utilizarea acestuia ar putea economisi 27 de milioane de wați de energie pe an și poate reduce consumul global de energie cu 30 de milioane de dolari.
O nouă rasă de frigidere
Frigiderele convenționale de uz casnic funcționează printr-un proces de evaporare și condensare, per Știința Vii. Un lichid frigorific este împins printr-o conductă specială de joasă presiune numită „bobină de evaporare”.
Pe măsură ce se evaporă, absoarbe căldură pentru a răci interiorul frigiderului și apoi trece printr-un compresor care îl transformă înapoi într-un lichid, ridicându-i temperatura pe măsură ce este radiat prin spatele frigiderului.
Legate de: „Cel mai pur siliciu din lume” ar putea duce la cipuri de calcul cuantic de primul milion de qubit
Pentru a atinge temperaturile necesare, oamenii de știință au folosit frigidere cu tuburi de puls (PTR) de mai bine de 40 de ani. PTR-urile folosesc heliu gaz într-un proces similar, dar cu o absorbție mult mai bună a căldurii și fără părți mobile.
Deși eficient, consumă cantități uriașe de energie, este costisitor de rulat și durează mult timp. Cu toate acestea, cercetătorii NIST au descoperit, de asemenea, că PTR-urile sunt ineficiente inutil și pot fi mult îmbunătățite pentru a reduce timpii de răcire și a reduce costul total.
În cadrul studiului, oamenii de știință au spus că PTR-urile „sufer de ineficiențe majore”, cum ar fi optimizarea „pentru performanță doar la temperatura lor de bază” – de obicei aproape de 4 Kelvin. Înseamnă că, în timp ce se răcesc, PTR-urile rulează la niveluri foarte ineficiente, au adăugat ei.
Echipa a descoperit că prin ajustarea designului PTR-ului între compresor și frigider, heliul a fost folosit mai eficient. În timp ce se răcește, o parte din acesta este în mod normal împinsă într-o supapă de siguranță, mai degrabă decât să fie împinsă în jurul circuitului așa cum a fost prevăzut.
Calcul cuantic la o fracțiune din cost
Reproiectarea propusă include o supapă care se contractă pe măsură ce temperatura scade pentru a preveni risipa de heliu în acest fel. Ca rezultat, PTR-ul modificat al echipei NIST a atins Big Chill de 1,7 până la 3,5 ori mai rapid, au spus oamenii de știință în lucrarea lor.
„În experimente mai mici pentru prototiparea circuitelor cuantice în care timpii de răcire sunt în prezent comparabili cu timpii de caracterizare, optimizarea acustică dinamică poate crește substanțial debitul de măsurare”, au scris cercetătorii.
Cercetătorii au spus în studiul lor că noua metodă ar putea reduce experimentele cu cel puțin o săptămână la Observatorul Criogenic Subteran pentru Evenimente Rare (CUORE) – o instalație din Italia care este folosită pentru a căuta evenimente rare, cum ar fi o formă teoretică în prezent de descompunere radioactivă. . Trebuie realizat cât mai puțin zgomot de fundal pentru a obține rezultate precise de la aceste instalații.
Calculatoarele cuantice au nevoie de un nivel similar de izolare. Ei folosesc biți cuantici sau qubiți. Calculatoarele convenționale stochează informații în biți și codifică datele cu o valoare fie 1, fie 0 și efectuează calcule în secvență, dar qubiții ocupă o suprapunere de 1 și 0, datorită legilor lui mecanica cuantică, și poate fi folosit pentru a procesa calcule în paralel. Qubiții, totuși, sunt incredibil de sensibili și trebuie să fie separați de cât mai mult zgomot de fundal posibil, inclusiv de micile fluctuații ale energiei termice.
Cercetătorii au spus că teoretic ar putea fi obținute metode și mai eficiente de răcire în viitorul apropiat, ceea ce ar putea duce la inovații mai rapide în spațiul de calcul cuantic.
Echipa a mai spus, de asemenea, că tehnologia lor ar putea fi folosită alternativ pentru a atinge temperaturi extrem de scăzute în același timp, dar la un cost mult mai mic, ceea ce ar putea aduce beneficii industriei criogenice, reducând costurile pentru experimente și aplicații industriale care nu necesită mult timp. Oamenii de știință lucrează în prezent cu un partener industrial pentru a-și lansa PTR-ul îmbunătățit comercial.