התגברות על מחסום מחשוב קוונטי ותיק: מדענים מפתחים מכשיר דו-ממדי יעיל לקירור קוונטי

מהנדסים ב-EPFL פיתחו מכשיר המסוגל להפוך חום למתח חשמלי ביעילות בטמפרטורות קרות אפילו יותר מאלה שנמצאות בחלל החיצון. פריצת הדרך הזו יכולה להתקדם בצורה משמעותית מחשוב קוונטי טכנולוגיות על ידי טיפול במכשול גדול.

כדי לבצע חישובים קוונטיים, יש לקרר סיביות קוונטיות (קיוביטים) לטמפרטורות בטווח המיליקלווין (קרוב ל-273 מעלות צֶלסִיוּס) כדי להפחית תנועה אטומית ולמזער רעש. עם זאת, האלקטרוניקה המשמשת לשליטה במעגלים הקוונטיים הללו מייצרת חום, שקשה להתפזר בטמפרטורות נמוכות כל כך. כתוצאה מכך, רוב הטכנולוגיות הנוכחיות חייבות להפריד את המעגלים הקוונטיים מהרכיבים האלקטרוניים שלהם, וכתוצאה מכך רעש וחוסר יעילות שמעכבים את הפיתוח של מערכות קוונטיות גדולות יותר מעבר למעבדה.

חוקרים במעבדה של EPFL לאלקטרוניקה ומבנים ננומטריים (LANES), בראשות Andras Kis, בבית הספר להנדסה, יצרו כעת מכשיר שלא רק פועל בטמפרטורות נמוכות במיוחד, אלא עושה זאת ביעילות הדומה לטכנולוגיות הנוכחיות בטמפרטורת החדר.

"אנחנו הראשונים ליצור מכשיר התואם את יעילות ההמרה של הטכנולוגיות הנוכחיות, אך פועל בשדות המגנטיים הנמוכים ובטמפרטורות הנמוכות במיוחד הנדרשות למערכות קוונטיות. העבודה הזו היא באמת צעד קדימה", אומרת סטודנטית לדוקטורט של LANES, גבריאל פסקוואלה.

המכשיר החדשני משלב מוליכות חשמלית מעולה של גרפן עם תכונות המוליכים למחצה של אינדיום סלניד. רק בעובי של כמה אטומים, הוא מתנהג כאובייקט דו מימדי, והשילוב החדש הזה של חומרים ומבנה מניב את הביצועים חסרי התקדים שלו. ההישג פורסם ב טבע ננוטכנולוגיה.

רתימת אפקט נרנסט

המכשיר מנצל את אפקט Nernst: תופעה תרמו-אלקטרית מורכבת היוצרת מתח חשמלי כאשר שדה מגנטי מופעל בניצב לעצם עם טמפרטורה משתנה. האופי הדו-ממדי של מכשיר המעבדה מאפשר לשלוט ביעילותו של מנגנון זה באופן חשמלי.

המבנה הדו-ממדי יוצר במרכז EPFL ל-MicroNanoTechnology ובמעבדת LANES. ניסויים כללו שימוש בלייזר כמקור חום, ומקרר דילול מיוחד כדי להגיע ל-100 מילקלווין – טמפרטורה קרה אפילו יותר מהחלל החיצון. המרת חום למתח בטמפרטורות נמוכות כל כך היא בדרך כלל מאתגרת ביותר, אבל המכשיר החדש ורתימתו של אפקט Nernst מאפשרים זאת, וממלאים פער קריטי בטכנולוגיה הקוונטית.

"אם אתה חושב על מחשב נייד במשרד קר, המחשב הנייד עדיין יתחמם תוך כדי פעולתו, מה שיגרום גם לטמפרטורה של החדר לעלות. במערכות מחשוב קוונטי, אין כיום מנגנון שימנע מחום זה להפריע לקיוביטים. המכשיר שלנו יכול לספק את הקירור ההכרחי הזה", אומר פסקואל.

פיזיקאי בהכשרתו, פסקוואלה מדגיש שמחקר זה משמעותי מכיוון שהוא שופך אור על המרת אנרגיה תרמית בטמפרטורות נמוכות – תופעה שלא נחקרה עד כה. בהתחשב ביעילות ההמרה הגבוהה והשימוש ברכיבים אלקטרוניים הניתנים לייצור, צוות LANES גם מאמין שהמכשיר שלהם כבר יכול להשתלב במעגלים קוונטיים קיימים בטמפרטורה נמוכה.

"ממצאים אלה מייצגים התקדמות גדולה בננוטכנולוגיה ומחזיקים בהבטחה לפיתוח טכנולוגיות קירור מתקדמות החיוניות עבור מחשוב קוונטי בטמפרטורות מיליקלווין", אומר פסקואל. "אנו מאמינים שהישג זה עשוי לחולל מהפכה במערכות קירור עבור טכנולוגיות עתידיות."