冷却技术的新发现可能有助于比预期更早地将量子计算带入生活。（Bartlomiej Wroblewski via Getty Images）

突破性的冷却技术可以帮助振兴量子计算，并将关键科学实验中昂贵的准备时间缩短数周。

科学家经常需要为量子计算和天文学等目的生成接近绝对零度的温度。这种温度被称为“大寒”，使最敏感的电子仪器免受干扰，例如温度变化。然而，用于达到这些温度的冰箱非常昂贵且效率低下。

然而，美国国家标准与技术研究院（NIST）的科学家已经制造了一种新的原型冰箱，他们声称可以更快、更有效地实现Big Chill。

研究人员于4月23日在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上发表了他们新机器的细节。他们声称使用它每年可以节省2700万瓦的电力，并将全球能源消耗减少3000万美元。

新一代冰箱

根据 Live Science，传统的家用冰箱通过蒸发和冷凝过程工作。制冷剂液体被推入称为“蒸发器盘管”的特殊低压管。

当它蒸发时，它会吸收热量以冷却冰箱内部，然后通过压缩机将其变回液体，当它通过冰箱背面辐射时，它会提高温度。

为了达到所需的温度，科学家们使用脉冲管冰箱 （PTR） 已有 40 多年的历史。PTR在类似的过程中使用氦气，但吸收热量要好得多，并且没有移动部件。

虽然有效，但它消耗大量能量，运行成本高昂，并且需要很长时间。然而，NIST研究人员还发现，PTR效率低下，可以大大改进以减少冷却时间并降低总体成本。

在这项研究中，科学家们表示，PTR“存在严重的低效率”，例如“仅在其基本温度下”（通常接近4开尔文）进行了优化。他们补充说，这意味着在冷却时，PTR的运行效率非常低。

研究小组发现，通过调整压缩机和冰箱之间的PTR设计，氦气的使用效率更高。在冷却时，其中一些通常被推入安全阀，而不是按预期在回路周围推动。

量子计算成本仅为其一小部分

他们提议的重新设计包括一个阀门，该阀门会随着温度的下降而收缩，以防止任何氦气以这种方式被浪费。因此，NIST团队改进的PTR实现了Big Chill的速度提高了1.7到3.5倍，科学家们在他们的论文中说。

研究人员写道：“在量子电路原型设计的小型实验中，冷却时间目前与表征时间相当，动态声学优化可以大大提高测量吞吐量。

研究人员在他们的研究中表示，新方法可以将低温地下罕见事件天文台（CUORE）的实验时间缩短至少一周，该设施位于意大利，用于寻找罕见事件，例如目前理论上的放射性衰变形式。必须尽可能少地实现背景噪音，才能从这些设施中获得准确的结果。

量子计算机需要类似级别的隔离。它们使用量子比特或量子比特。传统计算机以比特为单位存储信息，并以值 1 或 0 对数据进行编码并按顺序执行计算，但由于量子力学定律，量子比特占据 1 和 0 的叠加态，可用于并行处理计算。然而，量子比特非常敏感，需要与尽可能多的背景噪声分开，包括热能的微小波动。

研究人员表示，理论上可以在不久的将来实现更有效的冷却方法，这可能会导致量子计算领域的更快创新。

该团队还表示，他们的技术可以同时用于实现极冷温度，但成本要低得多，这可能有利于低温行业，降低非时间密集型实验和工业应用的成本。科学家们目前正在与工业合作伙伴合作，将他们改进的PTR商业化。

来自：科学研究前沿