Kvantdatorer kräver extremt låga temperaturer, men störande brus från dagens kylsystem får den känsliga kvantinformationen att kollapsa. Nu har forskare använt bruset för att driva ett minimalt ”kvantkylskåp” som kan styra värme och energi med hög precision.
Kvantteknologi väntas på sikt kunna få stor betydelse för områden som läkemedelsutveckling, artificiell intelligens, logistik och säker kommunikation. Men innan tekniken kan få praktisk användning återstår flera utmaningar. En av de viktigaste är att kunna skydda och kontrollera de känsliga kvanttillstånd som teknologin bygger på.
En kvantdator är baserad på supraledande kretsar och för att fungera måste den kylas till extremt låga temperaturer, nära den absoluta nollpunkten – minus 273 grader Celsius. Först då blir systemen supraledande och elektroner kan röra sig fritt utan motstånd, vilket gör det möjligt att skapa kvanttillstånd i kvantbitarna som är datorns minsta informationsenheter.
Kvanttillstånd störs mycket lätt
Samtidigt är dessa kvanttillstånd mycket sköra. Minsta brus som temperaturskillnader eller elektromagnetisk störning, kan snabbt förstöra information i systemet. För att kvantdatorer ska kunna lösa verkliga problem behöver de bli större och ha fler kvantbitar. Men ju större systemen blir, desto svårare blir det att hindra brus från att spridas och förstöra kvanttillstånden.
– Många kvantmekaniska system begränsas i praktiken av hur energi transporteras och förloras som värme till omgivningen. När vi förstår de här flödesvägarna – och kan mäta dem – kan vi konstruera kvantenheter där värmeflöden blir förutsägbara, styrbara och till och med användbara, säger Simon Sundelin, doktorand i kvantteknologi på Chalmers, i ett pressmeddelande.
Använder brus för att kyla ner
I en studie presenterar nu forskare vid Chalmers en ny typ av kvantkylskåp som, paradoxalt nog, använder brus som drivkraft för nedkylning – i stället för att försöka ta bort det.
– Fysiker har länge spekulerat kring ett fenomen som kallas brownisk kylning – idén att slumpmässiga förändringar i temperatur kan utnyttjas för att skapa en kyleffekt. Vårt arbete är så nära som det hittills har gått att komma detta koncept, säger Simone Gasparinetti, universitetslektor på Chalmers.
Artificiell molekyl togs fram
Kylskåpets kärna är en supraledande artificiell molekyl som utvecklats i Chalmers nanotekniklaboratorium. Den fungerar på liknande sätt som en naturlig molekyl, men är uppbyggd av små supraledande elektriska kretsar i stället för atomer. Genom att koppla molekylen till två mikrovågskanaler och tillföra ett kontrollerat mikrovågsbrus kan forskarna styra flödet av energi och värme.
– De två mikrovågskanalerna fungerar som en varm och en kall reservoar, men det avgörande är att ett utbyte av värme möjliggörs först när vi tillför brus genom en tredje port. Bruset möjliggör och driver värmetransport mellan reservoarerna via den artificiella molekylen, säger Simon Sundelin och fortsätter:
– Vi kunde mäta extremt små värmeströmmar, ner till en effekt i storleksordningen attowatt, alltså 10-18 watt. Om man använde ett så litet värmeflöde för att värma en vattendroppe skulle det ta ungefär lika lång tid som universums ålder innan temperaturen steg med en enda grad.
Nya möjligheter för framtidens kvantteknologi
Genom att justera temperaturerna i reservoarerna och mäta extremt små värmeflöden kan systemet fungera både som kylskåp, värmemotor och förstärkare av värmetransport. Möjligheten att kontrollera och styra energi med stor precision är särskilt viktig i större kvantsystem, där värme uppstår lokalt när kvantbitar styrs och mäts.
– Vi ser detta som ett viktigt steg mot att kunna styra värme direkt inne i kvantkretsar på en skala som konventionella kylsystem inte klarar. Att kunna avlägsna eller omdirigera värme på den här minimala skalan öppnar dörren för mer tillförlitliga och robusta kvantteknologier, säger Aamir Ali, forskare i kvantteknologi på Chalmers.
Vetenskaplig artikel:
Quantum refrigeration powered by noise in a superconducting circuit, Nature Communications.
Rekordkallt kylskåp kan ge bättre kvantdatorer
