علمی، پژوهشی و فناوری

یک تیر و دو نشان؛ ابداع خنک‌کننده‌ رایانه‌ کوانتومی که از گرما برق تولید می‌کند

به گزارش پایگاه خبری علم و فناوری :  شاید این روز‌ها چیز‌های زیای درباره محاسبات کوانتومی شنیده باشید، اما جهان هنوز یک کامپیوتر کوانتومی کاملاً عملیاتی و قدرتمند که بتواند محاسبات را در مقیاس بزرگ انجام دهد به خود ندیده است.

بر اساس این گزارش، دلیل مهمی که تا کنون چنین کامپیوتری ساخته نشده آن است که فناوری لازم برای خنک نگه داشتن رایانه‌های کوانتومی وجود ندارد.

برای مثال، کیوبیت‌ها، واحد‌های بنیادی رایانه‌های کوانتومی، برای عملکرد به دمای کمتر از ۱۰۰ میلی‌کلوین (حدود -۴۶۰ درجه فارنهایت) نیاز دارند. این حتی سردتر از دما در مناطق عمیق در فضا است. با این حال، بدون دستیابی به چنین دما‌های بسیار پایینی، نمی‌توانیم یک سیستم کوانتومی را راه‌اندازی کنیم.

اما محققان مؤسسه فناوری فدرال لوزان سوئیس (EPFL) یک دستگاه ۲ بعدی ترموالکتریک در اندازه میکرومتر ساخته‌اند که که می‌تواند گرما را به روشی بسیار کارآمد به برق تبدیل کند. این دستگاه دقیقاً در دمای مناسب برای نوع خاصی از تراشه رایانه‌ای به نام کیوبیت کار می‌کند.

وقتی در یک اتاق خنک با یک لپ‌تاپ کار می‌کنید به مرور در حین کار گرم می‌شود و در نتیجه دمای اتاق را نیز بالا می‌برد. در سیستم‌های محاسباتی کوانتومی، در حال حاضر هیچ سازوکاری برای جلوگیری از اختلال ناشی از گرما در کیوبیت‌ها وجود ندارد.

گابریل پاسکال (Gabriele Pasquale)، یکی از محققان ارشد در مؤسسه فناوری فدرال لوزان سوئیس، می‌گوید: «دستگاه ما می‌تواند این خنک‌کننده ضروری را فراهم کند.»

خنک کردن کیوبیت‌ها با استفاده از اثر نِرنست

حتی اگر دستگاهی را آنقدر قدرتمند بسازید که کیوبیت‌ها را خنک کند، چالش بزرگ دیگری وجود دارد. بسیاری از اجزای الکتریکی که مدار‌های کوانتومی و کیوبیت‌ها را به کار می‌اندازند، به طور مداوم گرما تولید می‌کنند و مانع پایین آمدن دما می‌شوند.

در بسیاری از روش‌های مرسوم برای خنک کردن کوانتومی، اجزای الکتریکی گرمازا از مدار کوانتومی جدا می‌شوند. با این حال، این رویکرد منجر به خروجی‌های ناکارآمد می‌شود و کارکرد کامپیوتر‌های کوانتومی در خارج از تنظیمات آزمایشگاه را مختل می‌کند.

دستگاه دوبعدی و تازه توسعه یافته با استفاده از اثر نِرنست نشان می‌دهد که چگونه یک میدان مغناطیسی بر ولتاژ تولیدشده توسط جریان گرما در یک جسم تأثیر می‌گذارد و بر چالش خنک‌سازی کوانتومی غلبه می‌کند.

این اثر، دستگاه دوبعدی را قادر می‌سازد تا در پاسخ به تغییرات دما هنگام تشکیل میدان مغناطیسی در یک سیستم کوانتومی، ولتاژ الکتریکی مؤثر تولید کند. این دستگاه همچنین با استفاده از گرافن که به رسانایی الکتریکی بالا معروف است.

علاوه بر این، این دستگاه با استفاده از گرافن که به رسانایی الکتریکی بالا معروف است و نیز یک عنصر فلزی نادر به نام ایندیوم ساخته شده است.

این ویژگی‌ها همراه با اثر نرنست، باعث می‌شوند دستگاه ترموالکتریک سیستم کوانتومی را خنک کند و گرمای تولیدشده توسط اجزای مدار کوانتومی را به طور مؤثر مدیریت کند.