Квантовым компьютерам подадут “прохладительный электронный напиток”

Ученые решили фундаментальную физическую проблему, возникающую при охлаждении деталей квантовых компьютеров электрическим током. Новый способ избавит от применения громоздких дорогостоящих охладительных систем и позволит добиться миниатюризации квантовых компьютеров.
Квантовым компьютерам подадут “прохладительный электронный напиток”

В Центре технических исследований Финляндии VTT придумали, как охладить сверхпроводящие цепи квантового компьютера до рабочей температуры, близкой к абсолютному нулю, без применения сложной системы криогенного отвода тепла. Способ охлаждения кремниевого образца электрическим током описан в исследовании, опубликованном в журнале Science Advances.

В настоящее время для получения сверхнизких температур используют криостаты (рефрижераторы) растворения. Эти огромные “холодильники” работают на изотопах гелия. Изотопы при достижении определенной температуры разделяются на две фазы. Чтобы пересечь границу фаз, более легкому изотопу гелия необходима энергия. Забирая ее в виде тепла из окружающей среды, изотоп охлаждает систему. Проблема криогенных установок заключается в их дороговизне, сложности производства и крупных габаритах — не самых желанных качествах для квантового компьютера. 

Ученые позаимствовали у криостатов принцип отвода тепла. Отбирать тепловую энергию системы должны были электроны. Вместо границы фаз изотопной смеси ученые планировали возвести для электрического тока искусственную преграду в виде атомного потенциального барьера. Чтобы “перепрыгнуть” барьер, электроны должны были отобрать тепловую энергию у охлаждаемой системы. Этого-то от них и ждали.

Планы разработчиков нарушали только тепловые колебания атомных решеток, распространяющиеся в пространстве в виде фотонов. Фотоны разбрасывали по системе энергию, нарушая температурный порядок, наведенный электронами. Чтобы избавиться от фотонов и одновременно построить барьер для электронов, ученые установили на границе холодной и горячей областей соединение сверхпроводника с полупроводником.

Электроны из полупроводника, расположенного ближе к холодной части системы, направили в часть, которую не мешало бы остудить. Чтобы пройти запрещенную зону сверхпроводника, электронам нужно было заплатить “пограничный налог” — отдать долю энергии. Средства для уплаты “налога” предоставила горячая область охлаждаемой системы, “обеднев” при этом на несколько градусов. Фотоны же, наткнувшись на преграду, рассеивались и не могли больше препятствовать охлаждению.

Технология электронного отвода тепла в будущем позволит отказаться от огромных криостатных установок и миниатюризировать квантовые компьютеры. Кроме того, метод можно успешно применять в работе сверхчувствительных датчиков излучения.