Новая электронная технология охлаждения для квантовых компьютеров
Современные квантовые компьютеры требуют чрезвычайно сложной и большой охлаждающей инфраструктуры
Исследователи VTT успешно продемонстрировали новую технологию электронного охлаждения, которая может позволить сделать большой скачок в развитии квантовых компьютеров.
Современные квантовые компьютеры требуют чрезвычайно сложной и большой охлаждающей инфраструктуры, основанной на смеси изотопов гелия. Новая технология электронного охлаждения могла бы заменить эти криогенные жидкие смеси и обеспечить миниатюризацию квантовых компьютеров.
В этом чисто электрическом методе, охлаждение и тепловая изоляция эффективно работают через одну и ту же точку, такую как соединение. В ходе эксперимента исследователи подвешивали кремниевый объект к таким материальным соединениям и охлаждали, подавая электрический ток от одного соединения к другому через него.
Ток понижал термодинамическую температуру кремниевого объекта на целых 40% от температуры окружающей среды. Это может привести к миниатюризации будущих квантовых компьютеров, поскольку может значительно упростить необходимую инфраструктуру охлаждения. Открытие было опубликовано в журнале Science Advances.
«Мы ожидаем, что этот недавно открытый метод электронного охлаждения может быть использован в нескольких областях применения — от миниатюризации квантовых компьютеров до сверхчувствительных датчиков излучения в области безопасности», — говорит профессор Мика Пруннила из Центра технических исследований VTT в Финляндии.
Исследовательская группа искала эффективный и практичный метод передачи тепла из одного места в другое с помощью электрического тока. Наиболее эффективное решение было бы обеспечено твердым переходом, где самые горячие электроны поднимаются над коротким атомным потенциальным барьером.
Сложность такого подхода заключается в том, что тепло переносится не только электронами, но и квантами колебаний атомной решетки — так называемыми фононами, которые также переносят значительное количество тепла. Фононы, перемещающиеся между горячим и холодным, очень эффективно выравнивают перепады температур, особенно на небольшом расстоянии.
Казалось, что самый 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 постулировала, что может существовать простое решение этой, казалось бы, фундаментальной проблемы: определенные материальные соединения могут блокировать распространение фононов, в то время как горячие электроны проходят через них.
Ученые продемонстрировали этот эффект, используя переходы 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 электронный ток может вносить значительную разницу температур в переходе.
«Мы считаем, что этот охлаждающий эффект может наблюдаться во многих условиях, например, в молекулярных соединениях», — говорят ученые.
Emma Mykkänen et al. Thermionic junction devices utilizing phonon blocking, Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.aax9191