دستگاه ۲ بعدی گرما را به برق تبدیل می‌کند و وعده خنک نگه داشتن عملیات کوانتومی را می‌دهد
اخیراً ممکن است در مورد محاسبات کوانتومی زیاد شنیده باشید، اما هنوز دنیایی شاهد یک کامپیوتر کوانتومی قدرتمند و کاملاً عملیاتی که قادر به انجام محاسبات بزرگ باشد، نبوده است.
یکی از دلایل اصلی که تاکنون موفق به ساخت یک دستگاه نشده‌ایم، فقدان فناوری برای خنک نگه داشتن کامپیوترهای کوانتومی است.
برای مثال، کیوبیت‌ها، واحدهای بنیادی کامپیوترهای کوانتومی، به دماهایی زیر ۱۰۰ میلی‌کلوین (حدود -۴۶۰ درجه فارنهایت) نیاز دارند تا عمل کنند. این دما حتی از دماهای مناطق عمقی فضا نیز سردتر است. با این حال، بدون دستیابی به این دماهای بسیار پایین ، نمی‌توانیم یک سیستم کوانتومی را کارآمد کنیم.
به طور شگفت‌آوری، محققان در مؤسسه فدرال فناوری لوزان (EPFL) یک دستگاه ترموالکتریک میکرومتر دو بعدی توسعه داده‌اند که می‌تواند گرما را خود به خود در دماهای مناسب برای عملکرد کیوبیت‌ها به برق تبدیل کند.
&#۸۲۲۰;اگر به لپ‌تاپی در یک دفتر سرد فکر کنید، لپ‌تاپ همچنان در حین کار گرم می‌شود و دمای اتاق را نیز افزایش می‌دهد. در سیستم‌های محاسبات کوانتومی، در حال حاضر هیچ مکانیسمی برای جلوگیری از مخدوش کردن کیوبیت‌ها توسط این گرما وجود ندارد. دستگاه ما می‌تواند این خنک‌سازی لازم را فراهم کند،&#۸۲۲۱; گابریله پاسکواله، محقق اصلی و دانشجوی دکترای EPFL، <a href="https://actu.epfl.ch/news/a-2d-device-for-quantum-cooling-2/" target="_blank" rel="noopener noreferrer">گفت</a>.</p> <h3 class="wp-block-heading" id="h-cooling-the-qubits-using-the-nernst-effect">خنک کردن کیوبیت‌ها با استفاده از اثر نرنست</h3> <p>حتی اگر دستگاهی قدرتمند برای خنک کردن کیوبیت‌ها بسازید، چالش بزرگی دیگر وجود دارد. بسیاری از قطعات الکتریکی که مدارهای کوانتومی و کیوبیت‌ها را کار می‌کنند، پیوسته گرما تولید می‌کنند و نگهداری دماهای بسیار پایین را دشوار می‌سازند.</p> <p>بسیاری از روش‌های خنک‌کننده معمولی کوانتومی با جداسازی چنین قطعات الکتریکی از مدار کوانتومی عمل می‌کنند. با این حال، این روش منجر به خروجی‌های ناکارآمدی می‌شود که جلوگیری می‌کند از عملکرد کامپیوترهای کوانتومی در خارج از محیط آزمایشگاهی. </p> <p>جالب توجه است که دستگاه دو بعدی جدید با استفاده از اثر نرنست، پدیده‌ای ۱۲۷ ساله که توضیح می‌دهد چگونه میدان مغناطیسی ولتاژ الکتریکی تولید شده توسط جریان گرما در یک شیء را تحت تأثیر قرار می‌دهد، این چالش‌ها را غلبه می‌کند. </p> <figure class="wp-block-embed is-type-video is-provider-youtube wp-block-embed-youtube wp-embed-aspect-16-9 wp-has-aspect-ratio"><div class="wp-block-embed__wrapper"> <iframe loading="lazy" title="How do quantum computers work?" width="500" height="281" src="https://www.youtube.com/embed/pqr1BhoEm_Q?feature=oembed" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture; web-share" referrerpolicy="strict-origin-when-cross-origin" allowfullscreen></iframe> </div></figure> <p>این اثر به دستگاه دو بعدی این امکان را می‌دهد که در یک سیستم کوانتومی ولتاژ الکتریکی کارآمدی در پاسخ به تغییرات دما، هنگامی که یک میدان مغناطیسی عمود به آن اعمال می‌شود، تولید کند. علاوه بر این، دستگاه <a href="https://interestingengineering.com/lists/5-uses-graphene-miracle-material" target="_blank" rel="dofollow">با استفاده از گرافن</a> ساخته شده است که به خاطر هدایت الکتریکی بالا معروف است، و سلنید ایندیوم که خواص نیمه‌رسانایی عالی ارائه می‌کند. </p> <p>این خواص همراه با اثر نرنست، دستگاه ترموالکتریک را قادر می‌سازد تا یک سیستم کوانتومی را خنک کرده و به طور مؤثر گرمای تولید شده توسط قطعات مدار کوانتومی آن را مدیریت کند. </p> <p>&#۸۲۲۰;ما اولین کسانی هستیم که دستگاهی ایجاد کرده‌ایم که با تبدیل کارآمد کنونی فناوری‌ها مطابقت دارد، اما در میدان‌های مغناطیسی پایین و دماهای بسیار پایینی که سیستم‌های کوانتومی نیاز دارند عمل می‌کند. این کار واقعاً یک گام جلوتر است،&#۸۲۲۱; پاسکواله گفت.</p> <h3 class="wp-block-heading" id="h-testing-the-thermoelectric-device">آزمایش دستگاه ترموالکتریک</h3> <p>محققان آزمایش جالبی انجام دادند تا بررسی کنند که آیا دستگاه دو بعدی آن‌ها می‌تواند سیستمی را در دماهای بسیار سرد کارآمد سازد، هنگامی که سیستم در معرض یک منبع گرمایشی قرار می‌گیرد. </p> <p>آن‌ها دستگاه خود را با یک یخچال رقیق‌کننده‌ای که دمای ثابتی برابر ۱۰۰ میلی‌کلوین (دمایی که <a href="https://interestingengineering.com/innovation/microsoft-unveils-path-to-more-reliable-quantum-computers" target="_blank" rel="dofollow">کیوبیت‌ها کار می‌کنند</a>) دارد استفاده کردند و سپس با استفاده از یک لیزر سیستم را گرم کردند. دستگاه دو بعدی در تبدیل گرما به برق در چنین دماهای بسیار پایینی موفق بود.</p> <p>“مطالعه ما نمایش یک دستگاه ترموالکتریک میکرومتری را که از اثر نرنست ناشی از نور استفاده می‌کند و عملکرد استثنایی حتی در دماهای فوق‌العاده پایین ۱۰۰ میلی‌کلوین، که قبلاً دست‌نیافتنی بود، را نشان می‌دهد. محققان <a href="https://actu.epfl.ch/news/a-2d-device-for-quantum-cooling-2/" target="_blank" rel="noopener noreferrer">نشان دادند</a>.</p> <p>این آزمایش نشان می‌دهد که واقعاً امکان دستیابی به فناوری‌های خنک‌کننده‌ای وجود دارد که یک سیستم کوانتومی را کارآمد می‌کند. امیدواریم این توسعه جالب ما را به کاربردهای قابل تحقق و گسترده محاسبات کوانتومی نزدیک‌تر کند.</p> <p>این <a href="https://doi.org/10.1038/s41565-024-01717-y" target="_blank" rel="noopener noreferrer">مطالعه</a> در مجله <em>Nature Nanotechnology</em> منتشر شده است. </p>
