Nowa technologia chłodzenia może ożywić komputery kwantowe i skrócić czas kosztownych przygotowań do kluczowych eksperymentów naukowych o całe tygodnie.

Naukowcy często muszą osiągać temperatury bliskie zeru absolutnemu do zastosowań takich jak obliczenia kwantowe i astronomia. Tak zwane „Wielkie Chłodzenie” utrzymuje najwrażliwsze przyrządy elektryczne wolne od zakłóceń, takich jak zmiany temperatury. Jednak chłodziarki używane do osiągania tych temperatur są niezwykle kosztowne i mało wydajne.

Naukowcy z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) – agencji rządu USA – zbudowali nowy prototyp chłodziarki, który ich zdaniem może osiągnąć Wielkie Chłodzenie znacznie szybciej i wydajniej.

Badacze opublikowali szczegóły swojego nowego urządzenia 23 kwietnia w czasopiśmie Nature Communications. Stwierdzili, że korzystanie z niego mogłoby zaoszczędzić 27 milionów watów mocy rocznie i zmniejszyć globalne zużycie energii o 30 milionów dolarów.

Tradycyjne lodówki domowe działają poprzez proces parowania i kondensacji. Ciecz chłodząca jest przepychana przez specjalną rurkę niskociśnieniową zwaną „cewką parownika”.

Podczas parowania pochłania ciepło, aby schłodzić wnętrze lodówki, a następnie przechodzi przez sprężarkę, która ponownie zmienia ją w ciecz, podnosząc jej temperaturę, gdy jest odprowadzana przez tył lodówki.

Aby osiągnąć wymagane temperatury, naukowcy od ponad 40 lat używają lodówek z rurkami pulsacyjnymi (PTR), które wykorzystują gaz helowy w podobnym procesie, ale z lepszym pochłanianiem ciepła i bez ruchomych części.

Choć skuteczne, zużywają ogromne ilości energii, są kosztowne w eksploatacji i zajmują dużo czasu. Jednak badacze z NIST odkryli, że PTR są niepotrzebnie nieefektywne i można je znacznie ulepszyć, aby skrócić czas chłodzenia i obniżyć całkowity koszt.

W badaniu naukowcy stwierdzili, że PTR „cierpią na poważne nieefektywności”, takie jak optymalizacja „tylko w najniższej temperaturze” – zazwyczaj bliskiej 4 Kelvinów. Oznacza to, że podczas chłodzenia PTR działają na bardzo nieefektywnych poziomach.

Zespół odkrył, że poprzez dostosowanie projektu PTR między sprężarką a lodówką, hel był wykorzystywany bardziej efektywnie. Podczas chłodzenia, część helu jest zwykle wypychana do zaworu bezpieczeństwa zamiast krążyć zgodnie z zamierzeniem.

Ich proponowany redesign obejmuje zawór, który kurczy się wraz ze spadkiem temperatury, aby zapobiec marnowaniu helu w ten sposób. W rezultacie zmodyfikowany PTR zespołu NIST osiągnął Wielkie Chłodzenie 1,7 do 3,5 razy szybciej, jak stwierdzili naukowcy w swoim artykule.

„W mniejszych eksperymentach prototypowania układów kwantowych, gdzie czasy schładzania są obecnie porównywalne do czasów charakteryzacji, dynamiczna optymalizacja akustyczna może znacznie zwiększyć przepustowość pomiarów,” napisali badacze.

Naukowcy stwierdzili w swoim badaniu, że nowa metoda mogłaby skrócić co najmniej o tydzień eksperymenty w Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE) – obiekcie we Włoszech, który jest wykorzystywany do poszukiwania rzadkich zjawisk, takich jak teoretyczna forma rozpadu radioaktywnego. Aby uzyskać dokładne wyniki w tych obiektach, należy osiągnąć jak najmniejsze zakłócenia tła.

Komputery kwantowe potrzebują podobnego poziomu izolacji. Używają one kwantowych bitów, czyli kubitów. Konwencjonalne komputery przechowują informacje w bitach i kodują dane o wartości 1 lub 0, wykonując obliczenia w kolejności, ale kubity zajmują superpozycję 1 i 0, dzięki prawom mechaniki kwantowej, i mogą być wykorzystywane do równoległego przetwarzania obliczeń. Kubity są jednak niezwykle wrażliwe i muszą być odizolowane od jak największej ilości zakłóceń tła – w tym niewielkich fluktuacji energii cieplnej.

Naukowcy stwierdzili, że w przyszłości teoretycznie mogą być osiągnięte jeszcze bardziej wydajne metody chłodzenia, co może prowadzić do szybszych innowacji w dziedzinie komputerów kwantowych.

Zespół dodał również, że ich technologia mogłaby być wykorzystywana do osiągania ekstremalnie niskich temperatur w tym samym czasie, ale przy znacznie niższych kosztach, co mogłoby przynieść korzyści przemysłowi kriogenicznemu, obniżając koszty nieczasowych eksperymentów i zastosowań przemysłowych. Naukowcy obecnie współpracują z partnerem przemysłowym, aby wprowadzić swoje ulepszone PTR na rynek.

Źródło: Live Science