2D uređaj za kvantno hlađenje na temperaturu svemira

Inženjeri sa švicarskog Federalnog tehnološkog instituta u Lausanni EPFL-a, stvorili su uređaj koji može učinkovito pretvoriti toplinu u električni napon na temperaturama nižim od onih u svemiru. Inovacija bi mogla pomoći u prevladavanju značajne prepreke napretku kvantnih računalnih tehnologija, koje zahtijevaju ekstremno niske temperature da bi optimalno funkcionirale.

Za izvođenje kvantnih proračuna, kvantni bitovi (qubiti) moraju se ohladiti na temperaturu u rasponu milikelvina (blizu -273 Celzijusa), kako bi se usporilo kretanje atoma i smanjila buka.

Međutim, elektronika koja se koristi za upravljanje tim kvantnim krugovima stvara toplinu koju je teško ukloniti na tako niskim temperaturama. Većina sadašnjih tehnologija mora odvojiti kvantne sklopove od njihovih elektroničkih komponenti, uzrokujući šum i neučinkovitost koje ometaju realizaciju većih kvantnih sustava izvan laboratorija.

Istraživači u EPFL-ovom Laboratoriju za nanoskalnu elektroniku i strukture LANES, predvođeni Andrasom Kisom, sada su proizveli uređaj koji ne samo da radi na ekstremno niskim temperaturama, već to radi s učinkovitošću usporedivom s trenutnim tehnologijama na sobnoj temperaturi.

"Mi smo prvi koji su stvorili uređaj koji odgovara učinkovitosti pretvorbe trenutnih tehnologija, ali koji radi na niskim magnetskim poljima i ultra-niskim temperaturama potrebnim za kvantne sustave. Ovaj rad je doista korak naprijed," kaže doktorand LANES-a Gabriele Pasquale.

Inovativni uređaj kombinira izvrsnu električnu vodljivost grafena s poluvodičkim svojstvima indijeva selenida. Debeo samo nekoliko atoma, ponaša se kao dvodimenzionalni objekt, a ova nova kombinacija materijala i strukture daje performanse bez presedana.

Uređaj iskorištava Nernstov efekt, složeni termoelektrični fenomen koji generira električni napon kada se magnetsko polje primijeni okomito na objekt s promjenjivom temperaturom. Dvodimenzionalna priroda laboratorijskog uređaja omogućuje električnu kontrolu učinkovitosti ovog mehanizma.

Eksperimenti su uključivali korištenje lasera kao izvora topline i specijaliziranog hladnjaka za razrjeđivanje za postizanje 100 milikelvina, temperature čak niže od one u svemiru. Pretvorba topline u napon pri tako niskim temperaturama obično je iznimno zahtjevna, ali novi uređaj i njegovo korištenje Nernstova učinka to čine mogućim, ispunjavajući kritičnu prazninu u kvantnoj tehnologiji.

S obzirom na visoku učinkovitost pretvorbe i korištenje elektroničkih komponenti koje je moguće izraditi, tim također vjeruje da bi se njihov uređaj već mogao integrirati u postojeće niskotemperaturne kvantne sklopove.

"Ova otkrića predstavljaju veliki napredak u nanotehnologiji i obećavaju razvoj naprednih tehnologija hlađenja bitnih za kvantno računalstvo na temperaturama milikelvina", kaže Pasquale. "Vjerujemo da bi ovo postignuće moglo revolucionirati sustave hlađenja za buduće tehnologije."

Istraživanje objavljeno u časopisu Nature Nanotechnology možete pronaći na ovoj poveznici.