Ny elektronisk køleteknologi til at muliggøre miniaturisering af kvantecomputere

VTT -forskere har med succes demonstreret en ny elektronisk køleteknologi, der kan muliggøre store spring i udviklingen af ​​kvantecomputere. Nuværende kvantecomputere kræver ekstremt kompliceret og stor køleinfrastruktur, der er baseret på blanding af isotoper af helium. Den nye elektroniske køleteknologi kan erstatte disse kryogene væskeblandinger og muliggøre miniaturisering af kvantecomputere.

I denne rent elektriske kølemetode, køling og termisk isolering fungerer effektivt gennem det samme punkt som kryds. I eksperimentet suspenderede forskerne et stykke silicium fra sådanne samlinger og nedkølede objektet ved at føre elektrisk strøm fra et kryds til et andet gennem stykket. Strømmen sænkede siliciumobjektets termodynamiske temperatur så meget som 40 % i forhold til omgivelsernes. Dette kan føre til miniaturisering af fremtidige kvantecomputere, da det kan forenkle den nødvendige køleinfrastruktur betydeligt. Opdagelsen er blevet offentliggjort i Videnskabens fremskridt .

"Vi forventer, at denne nyopdagede elektroniske kølemetode kan bruges i flere applikationer fra miniaturisering af kvantecomputere til ultrafølsomme strålingssensorer i sikkerhedsområdet, " siger forskningsprofessor Mika Prunnila fra VTT Technical Research Center i Finland.

Nye muligheder for videnskab og erhvervsliv

Flere følsomme elektroniske og optiske enheder kræver drift ved lav temperatur. Et aktuelt eksempel er en kvantecomputer bygget af superledende kredsløb, som kræver køling tæt på det absolutte nulpunkt for termodynamisk temperatur (-273,15 grader C).

I dag, superledende kvantecomputere køles af såkaldte fortyndingskøleskabe, som er flertrins-kølere baseret på pumpning af kryogene væsker. Kompleksiteten af ​​dette køleskab stammer fra det koldeste stadie, hvis drift er baseret på pumpning af en blanding af forskellige isotoper af helium. Selvom moderne fortyndingskøleskabe er kommerciel teknologi, de er stadig store, dyre videnskabelige instrumenter. Den elektroniske køleteknologi udviklet af VTT-forskerne kan erstatte de komplekse koldeste dele og føre til betydelige reduktioner i kompleksitet, pris og størrelse.

"Den påviste køleeffekt kan bruges til aktivt at køle kvantekredsløb på en siliciumchip eller i store køleskabe. Det er overflødigt at sige, at vi hos Bluefors følger denne nye udvikling af elektriske køleskabe med stor interesse, "siger David Gunnarsson, salgschef hos Bluefors Oy, den førende virksomhed inden for køleskabsløsninger til kvantesystemer og computere.

Ligetil løsning på et tilsyneladende grundlæggende fysikproblem

Forskergruppen ledte efter en effektiv og praktisk metode til at drive varme fra et sted til et andet via elektrisk strøm. Den mest effektive løsning ville blive leveret af et solidt kryds, hvor de hotteste elektroner klatrer over en kort atomskala potentialbarriere. Udfordringen med denne tilgang er, at varmen ikke kun bæres af elektronerne, men også af kvantumet af atomgitterets vibrationer - såkaldte fononer - også bærer en betydelig del af varmen. Fononerne, der bevæger sig mellem det varme og det kolde, udligner temperaturforskellene meget effektivt, især over kort afstand.

Det så ud til, at den mest effektive elektroniske kølemetode altid førte til den værst mulige phonon-varmelækage, og derved, et nul resultat med hensyn til samlet afkøling. VTT-forskerholdet postulerede, at der kunne eksistere en ligetil løsning på dette tilsyneladende grundlæggende problem:Visse materialeforbindelser kunne blokere for udbredelsen af ​​fononerne, mens de varme elektroner passerer gennem det.

Holdet demonstrerede effekten ved at bruge halvleder-superlederforbindelser til at afkøle en siliciumchip. I disse kryds, de forbudte elektroniske tilstande i superlederen danner en barriere, som elektronerne fra halvlederen skal klatre over for at drive varmen væk. På samme tid, selve krydset spreder eller blokerer fononerne så effektivt, at den elektroniske strøm kan indføre en betydelig temperaturforskel over krydset.

"Vi mener, at denne køleeffekt kan observeres i mange indstillinger, for eksempel, i molekylære forbindelser, " siger forsker Emma Mykkänen fra VTT.