يمكن أن تساعد تقنية التبريد المتقدمة في تحفيز الحوسبة الكمومية وتقليل أوقات التحضير الباهظة الثمن في التجارب العلمية الرئيسية بأسابيع.
يحتاج العلماء في كثير من الأحيان إلى وضع نماذج لدرجات الحرارة عن كثب الصفر المطلق الحوسبة الكمومية وعلم الفلك، من بين تطبيقات أخرى. تسمى درجة الحرارة هذه “بالبرد الكبير”، ومن شأنها أن تبقي المعدات الكهربائية الحساسة للغاية، مثل التغيرات في درجات الحرارة، دون إزعاج. ومع ذلك، فإن الثلاجات المستخدمة لتحقيق هذه الدرجة من الحرارة باهظة الثمن وغير فعالة.
ومع ذلك، قام العلماء في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) – وهي وكالة حكومية أمريكية – بتطوير نموذج أولي جديد للثلاجة.
نشر الباحثون تفاصيل آلتهم الجديدة في 23 أبريل في مجلة Nature Communications. وقالوا إن استخدامه يمكن أن يوفر 27 مليون واط من الكهرباء سنويا ويقلل استهلاك الطاقة العالمي بمقدار 30 مليون دولار.
جيل جديد من الثلاجات
تعمل الثلاجات المنزلية التقليدية عن طريق التبخر والتكثيف العلم المباشر. يتم دفع سائل التبريد عبر أنبوب خاص منخفض الضغط يسمى “ملف المبخر”.
وعندما يتبخر، فإنه يمتص الحرارة لتبريد الجزء الداخلي من الثلاجة، ثم يمر عبر ضاغط لتحويله مرة أخرى إلى سائل، مما يؤدي إلى رفع درجة الحرارة أثناء إشعاعه إلى الجزء الخلفي من الثلاجة.
متعلق ب: “أنظف سيليكون في العالم” يمكن أن يؤدي إلى رقائق حوسبة كمومية بحجم مليون كيلوبت
يستخدم العلماء الثلاجات الأنبوبية النبضية (PTRs) منذ أكثر من 40 عامًا للوصول إلى درجة الحرارة المطلوبة. تستخدم أجهزة PTR غاز الهيليوم في عملية مماثلة، ولكن مع امتصاص أفضل للحرارة وبدون أجزاء متحركة.
وعلى الرغم من فعاليته، إلا أنه يستهلك كميات كبيرة من الطاقة، كما أن تشغيله مكلف، ويستغرق وقتًا طويلاً. ومع ذلك، فقد وجد باحثو NIST أن أجهزة PTR غير فعالة بلا داع ويمكن تحسينها بشكل كبير لتقليل وقت التبريد والتكلفة الإجمالية.
في الدراسة، وجد العلماء أن أجهزة PTR “تعاني من عدم كفاءة كبيرة” مما يعني أنها مُحسّنة “للأداء فقط عند درجة حرارتها الأساسية” – عادة بالقرب من 4 كلفن. وأضافوا أن هذا يعني أن أجهزة PTR تعمل بمستويات أقل كفاءة أثناء التبريد.
ومن خلال ضبط تصميم PTR بين الضاغط والثلاجة، وجد الفريق أنه تم استخدام الهيليوم بشكل أكثر كفاءة. أثناء التبريد، يتم دفع بعض منه عادةً إلى صمام تخفيف، بدلاً من دفعه حول الدائرة المقصودة.
جزء صغير من تكلفة الحوسبة الكمومية
تتضمن إعادة التصميم المقترحة صمامًا ينكمش عندما تنخفض درجة الحرارة لمنع إهدار الهيليوم بهذه الطريقة. ونتيجة لذلك، وصل PDR المعدل لفريق NIST إلى Big Chill أسرع بمقدار 1.7 إلى 3.5 مرة، كما قال العلماء في ورقتهم البحثية.
وكتب الباحثون: “في التجارب الصغيرة للنماذج الأولية للدوائر الكمومية، حيث تكون أوقات التبريد قابلة للمقارنة حاليًا مع أوقات التوصيف، يمكن أن يؤدي تحسين الضوضاء الديناميكية إلى زيادة أداء القياس بشكل كبير”.
وقال الباحثون في دراستهم إن الطريقة الجديدة يمكن أن تسمح للتجارب بالاستمرار لمدة أسبوع على الأقل في المرصد المبرد تحت الأرض للأحداث النادرة (CUORE) – وهي منشأة في إيطاليا تستخدم حاليًا للكشف عن الأحداث النادرة مثل التحلل الإشعاعي النظري. . للحصول على نتائج دقيقة من هذه المرافق، يجب أن تكون الضوضاء الخلفية منخفضة قدر الإمكان.
تتطلب أجهزة الكمبيوتر الكمومية نفس النوع من العزلة. يستخدمون البتات الكمومية أو الكيوبتات. تقوم أجهزة الكمبيوتر التقليدية بتخزين المعلومات في وحدات البت، وترميز البيانات كقيمة 1 أو 0، وإجراء العمليات الحسابية بشكل تسلسلي، لكن البتات الكمومية تحتل التراكب 1 و0، وذلك بفضل القواعد. ميكانيكا الكمويمكن استخدامها لمعالجة الحسابات بالتوازي. ومع ذلك، فإن البتات الكمومية حساسة بشكل لا يصدق ويجب فصلها عن الضوضاء الخلفية قدر الإمكان، بما في ذلك التقلبات الصغيرة في الطاقة الحرارية.
وقال الباحثون إنه من الممكن نظريًا تحقيق طرق تبريد أكثر كفاءة في المستقبل، مما يؤدي إلى ابتكار سريع في مجال الحوسبة الكمومية.
ويمكن استخدام تقنيتهم كبديل لتحقيق درجات حرارة شديدة البرودة في وقت واحد، ولكن بتكلفة أقل بكثير، وهو ما من شأنه أن يفيد صناعة التبريد الشديد، مما يقلل من تكاليف التجارب والتطبيقات الصناعية التي تستغرق وقتًا طويلاً. يعمل العلماء حاليًا مع شريك صناعي لتسويق PTR المحسن الخاص بهم.
