Medan många forskargrupper världen över försöker utveckla högpresterande kvantdatorer, vissa arbetar med verktyg för att kontrollera värmeflödet inuti dem. Precis som konventionella datorer, faktiskt, kvantdatorer kan värmas upp betydligt när de fungerar, som i slutändan kan skada både enheterna och deras omgivning.

Ett team av forskare vid University Grenoble Alpes i Frankrike och Centre of Excellence-Quantum Technology i Finland har nyligen utvecklat en värmeklaff med en enda kvantpunkt, en enhet som kan hjälpa till att kontrollera värmeflödet i en-kvant-punkt-korsningar. Denna värmeventil, presenteras i ett papper publicerat i Fysiska granskningsbrev , kan hjälpa till att förhindra överhettning av kvantdatorer.

"Med miniatyriseringen av elektroniska komponenter har hantering av överskottsvärme i nanoskala blivit en allt viktigare fråga att ta itu med, "Nicola Lo Gullo, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Detta är särskilt sant när man vill bevara en enhets kvantkaraktär. Temperaturökningen leder vanligtvis till försämring av kvantegenskaperna. Den senaste tidens förverkligande av en fotonisk värmeventil av en annan forskargrupp inspirerade oss i slutändan att skapa en värmeventil baserad på en solid state-kvantpunkt. "

Ett av nyckelmålen med den nya studien som Lo Gullo och hans kollegor nyligen genomförde var att demonstrera möjligheten att kontrollera mängden värme som strömmar över en kvantpunktsövergång, samtidigt som det möjliggör flödet av en viss mängd elektrisk ström. För att designa sin värmeventil med en enda kvantpunkt, forskarna placerade en guldnanopartikel mellan två metallkontakter, använder den som en knutpunkt. Denna nanopartikel är så liten att den kan användas för att ingripa på en enda energinivå, fungerar som en större artificiell atom skulle med flera tillgängliga energinivåer.

"Genom att rätt justera de externa parametrarna är det möjligt att låta elektronerna i en av kontakterna flöda genom endast en av nivåerna för denna artificiella atom och nå den andra kontakten, "Förklarade Lo Gullo." Kvantpunkten på en nivå fungerar därför som en bro mellan de två metallkontakterna. "

Under normala omständigheter, utbyte av energi är endast möjligt när energinivån för en kvantpunkt är i resonans med elektronernas energi i kontakterna. I enheten som utvecklats av Lo Gullo och hans kollegor, dock, närvaron av kontakterna förändrar egenskaperna hos den artificiella atomen, genom att bredda dess energinivåer.

"Denna effekt är kärnan i värmeventileffekten vi har studerat, "Lo Gullo tillagd." Breddningen uppgår till skapandet av virtuella tillstånd, som inte är klassiskt tillgängliga och som tillåter elektroner att flöda från en kontakt till en annan, genom att bära energi och ge upphov till värme-ventileffekten som vi rapporterade. "

I större (makroskopiska) ledare, forskare har identifierat ett enkelt och universellt förhållande mellan deras förmåga att leda elektrisk laddning och deras förmåga att leda värme. Detta förhållande skisseras av en teoretisk konstruktion som kallas Wiedemann-Franz-lagen.

I kvantanordningar som den som utvecklats av Lo Gullo och hans kollegor, dock, saker är inte lika okomplicerade. Detta beror på kvantiseringen av laddning och energi, vilket leder till avvikelser från Wiedemann-Franz-lagen.

"Med hjälp av den mest grundläggande kvantmekaniska bilden (kallad semiklassisk), man skulle förvänta sig att en kvantpunktsövergång inte leder värme alls, "Clemens Winkelmann, en annan forskare som är involverad i studien, berättade för Phys.org. "Våra mått, dock, visa att detta inte är sant, och den teoretiska förklaringen är relaterad till kvantfluktuationer, precis som i Heisenbergs osäkerhetsprincip, som delvis återställer energin och därmed värmeflödet. "

När de utvecklade sin enhet, forskarna var tvungna att övervinna ett antal tekniska utmaningar. Till exempel, de var tvungna att identifiera en strategi för att mäta temperaturen (och temperaturskillnaderna) lokalt inuti en kvantanordning. I sista hand, en av de största prestationerna i deras studie är att de kunde samla in dessa mätningar och på så sätt få en bättre förståelse för hur värme hanteras inuti kvantanordningar.

"Elektroniska enheter ger upphov till försvinnande när de behandlar information, och detta leder till de välkända överhettningsproblemen som observerats i klassiska processorer, som också förekommer i kvantvärlden, "Winkelmann sa." Överhettning kan störa enhetens logiska drift, leder till fel. Vårt arbete ger en bättre förståelse för hur värme genereras och kan dräneras i en sådan enhet. "

Genom att införa en strategi för att uppnå kontroll över värmen som strömmar genom de minsta korsningarna i kvantanordningar, den senaste tidningen av Lo Gullo, Winkelmann och deras kollegor kan öppna upp intressanta nya möjligheter relaterade till ett framväxande studieområde som kallas solid-state termotronik. Solid-state termotronikforskning undersöker möjligheten att styra värmeflöden genom temperaturgradienter på ett liknande sätt som det där elektriska strömmar och spänningar styrs i befintliga enheter.

"Termotronik i fast tillstånd är ett relativt nytt område, men viktiga framsteg har gjorts, såsom realisering av värmeventiler, termiska dioder och transistorer, energiopptagare och till och med förslagen från termiska logiska grindar, "Lo Gullo sa." Vi gav ytterligare ett exempel på möjligheten att kontrollera och mäta värmeströmmar och temperaturer i solid state-enheter. "

I framtiden, värmeventilen som utvecklats av detta team av forskare kan förbättra tillförlitligheten och säkerheten för kvantanordningar, minskar risken för överhettning. I deras nästa studier, Lo Gullo och Winkelmann skulle vilja utarbeta strategier för att mäta spridning över tid. Med andra ord, istället för att fokusera på en kvantenhetens uppvärmning i stationärt tillstånd, de planerar att undersöka singel, elementära kvantdissipativa processer, såsom tunneln av en enda elektron eller ett enda 2π -slip av den kvantmekaniska fasen.

"Det finns många möjliga riktningar för framtida forskning, "Tillade Lo Gullo." Vi tittar för närvarande på korsningar med en mer komplex struktur för att se om de erbjuder några fördelar när det gäller användbarhet. En annan tilltalande möjlighet är att uppnå tidsupplöst kontroll över värmeflödet, vilket möjliggör realtidsoperationer med tanke på applikationer till termotronik. "

© 2021 Science X Network