Миниатюризация квантовых компьютеров возможна благодаря технологии электронного охлаждения

Исследователи VTT успешно продемонстрировали новую технологию электронного охлаждения, которая может сделать существенные скачки в развитии квантовых компьютеров. Современные квантовые компьютеры требуют чрезвычайно сложной и большой охлаждающей инфраструктуры, основанной на смеси различных изотопах гелия. Новая технология электронного охлаждения может заменить эти смеси криогенных жидкостей и обеспечить миниатюризацию квантовых компьютеров.

Исследователи из Центра технических исследований VTT Финляндии разработали новый метод чисто электрического охлаждения, при котором охлаждение и тепловая изоляция эффективно работают в одной точке, например, в месте соединения. В эксперименте исследователи подвешивали кусок кремния на таких соединениях и охлаждали объект, пропуская электрический ток от одного соединения к другому через деталь. Ток снизил термодинамическую температуру кремниевого объекта на 40% от температуры окружающей среды. Это открытие может быть использовано, например, при миниатюризации будущих квантовых компьютеров, поскольку оно может значительно упростить необходимую инфраструктуру охлаждения. Открытие было опубликовано в журнале Science Advances от 10 апреля 2020 года.

“Мы ожидаем, что этот недавно открытый электронный метод охлаждения может быть использован в нескольких приложениях – от миниатюризации квантовых компьютеров до сверхчувствительных датчиков излучения в области безопасности”, – говорит профессор-исследователь Мика Пруннила из Центра технических исследований VTT, Финляндия.

Новые возможности для науки и бизнеса

Несколько чувствительных электронных и оптических устройств требуют работы при низких температурах. Одним из своевременных примеров является квантовый компьютер, построенный из сверхпроводящих цепей, которые требуют охлаждения, близкого к абсолютному нулю термодинамической температуры (-273,15 ° C).

В настоящее время сверхпроводящие квантовые компьютеры охлаждаются так называемыми разбавительными холодильниками, которые являются многоступенчатыми охладителями, основанными на перекачке криогенных жидкостей. Сложность этого холодильника возникает, в частности, из самой холодной стадии, работа которой основана на перекачке смеси различных изотопов гелия. Несмотря на то, что современные холодильники для разбавления представляют собой коммерческую технологию, они все еще являются дорогостоящими и крупными научными приборами. Электронная технология охлаждения, разработанная исследователями VTT, может заменить сложные самые холодные детали и, таким образом, привести к значительному снижению сложности, стоимости и размера.

Новый метод вызывает интерес и в деловом мире. “Продемонстрированный эффект охлаждения можно использовать для активного охлаждения квантовых цепей на кремниевом чипе или в больших холодильниках. Нет необходимости говорить, что мы в Bluefors с большим интересом следим за разработкой этого нового электрического холодильника”, – говорит Дэвид Гуннарссон, директор по продажам в Bluefors Oy – ведущей компании холодильных решений для квантовых систем и компьютеров.

Простое решение кажущейся фундаментальной проблемы физики
Исследовательской группы искали в эффективном и практичном способе переноса тепла из одного места в другое с помощью электрического тока. Наиболее эффективное решение было бы обеспечено сплошным переходом, где самые горячие электроны поднимаются через короткий потенциальный барьер атомного масштаба. Сложность этого подхода заключается в том, что тепло переносится не только электронами – кванты колебаний атомной решетки, или так называемые фононы, также несут значительное количество тепла. Фононы, перемещающиеся между горячим и холодным, очень эффективно выравнивают разницу температур, особенно на коротких расстояниях.

Казалось, что наиболее эффективный метод электронного охлаждения всегда приводил к наихудшей возможной утечке фононного тепла и, следовательно, к нулевому результату с точки зрения общего охлаждения. Исследовательская группа VTT сделала заключение, что на самом деле может существовать прямое решение этой, казалось бы, фундаментальной проблемы: некоторые материальные контакты могут блокировать распространение фононов, когда горячие электроны проходят через них.

Команда продемонстрировала эффект, используя соединения полупроводник-сверхпроводник для охлаждения кремниевого чипа. В этих соединениях запрещенные электронные состояния в сверхпроводнике образуют барьер, по которому электроны из полупроводника должны подниматься, чтобы отвести тепло. В то же время сам переход так эффективно рассеивает или блокирует фононы, что электрический ток может вносить значительную разницу температур в переходе.

“Мы считаем, что этот охлаждающий эффект можно наблюдать во многих различных условиях, например, в молекулярных соединениях”, – говорит исследователь Эмма Миккянен из VTT.