ابداع روشی جدید برای خنک‌کنندگی کامپیوترهای کوانتومی

تحقیقات تیمی در مرکز تحقیقات فنی VTT فنلاند ممکن است راه را برای تولید کامپیوترهای کوانتومی پایدارتر و کارآمدتر باز کند.

به گزارش تکناک، تیم تحقیقاتی دستگاهی شبیه لوله خلاء طراحی کرد که اجازه می‌دهد خنک‌سازی به روشی کاملاً الکترونیکی انجام شود. با استفاده از این روش هزینه‌های خنک‌کنندگی برای کامپیوترهای کوانتومی که با یخچال‌ رقیق‌سازی کار می کنند تا ۱۰ برابر کاهش می یابد. در آزمایشات خود، محققان دریافتند که طراحی آنها اجازه می دهد دما تا 40 درصد کاهش یابد.

این کامپیوترهای کوانتومی عمدتاً از کیوبیت‌های ترانسمون ابررسانا برای انجام کارهای محاسباتی مفید استفاده می‌کنند و کیوبیت‌های شرکت‌های پیشرو کوانتومی مانند آی‌بی‌ام، گوگل، آمازون و دیگران را نیز برای انتخاب داشتند. اما برای اینکه این کیوبیت های ابررسانا کار کنند، باید نزدیک به دمای صفر مطلق (~ 1 کلوین) خنک شوند. ضرورت اختلاط ایزوتوپ های مختلف هلیوم برای دستیابی به این دمای عملیاتی ایده آل، لایه های بیشتری از پیچیدگی را اضافه می کند.

یکی از محدودیت‌های اساسی برای هر محاسبات سطح بالا، ظرفیت خنک‌کننده است که به عنوان توانایی جذب گرمای محاسباتی تولید شده از مدارهای عملیاتی شناخته میشود. این محدودیت خاص این روزها در همه جا دیده می شود. از دشواری خنک‌کردن پردازنده‌های 16 هسته‌ای گرفته تا حجم عظیم فن‌ها و فلزاتی که پردازنده‌های گرافیکی ما را در بر میگیرند. در حقیقت، گرما یکی از سخت‌ترین مشکلات مهندسی در دنیای محاسبات امروز و فردا است.

اما رایانه‌های کوانتومی حتی از قطعات الکترونیک سنتی نیز حساس‌تر هستند آنها بیشتر مستعد تداخل خارجی هستند و در مورد اینکه چه نوع تداخلی می تواند حالت کیوبیت مفید و کارآمد آنها را از بین ببرد، بی ثبات تر هستند. بنابراین تکنیک‌های جدیدی که امکان خنک‌سازی ساده‌تر و کارآمدتر را فراهم می‌کنند بسیار مورد نیاز هستند. در حالی که برخی از پیشرفت‌ها در تکنیک‌های خنک‌کننده جدید (مانند تکنیک AirJet Frore) به دست آمده است، همه آنها عمدتاً به یک روش عمل می‌کنند: با هدایت یک محیط که گرما را جذب میکند (مانند آب یا هوا) به دور از منبع گرما.

اما دانشمندان فنلاندی در VTT راه کاملاً متفاوتی را در پیش گرفته‌اند. آنها یک دستگاه ترمیونیک (گسیل گرمایونی) ساختند که گرما را به شکل الکترون جاری میسازد (الکترون های کانالی به انرژی نیاز دارند، به همین دلیل است که دستگاه های ترمیونیک با بهره گیری از اثر پلتیه معمولاً مرحله دیگری را برای مصرف انرژی معرفی می کنند). اما نکته مهم این است که این دستگاه اجازه می‌دهد تا خنک‌سازی را تقریباً به حداکثر برساند. محققان انتظار دارند که بتوانند وسایل الکترونیکی را تا محدوده 1.5 K تا 0.1 K خنک کنند. این دامنه بیش از اندازه کافی برای خدمت به عنوان یک مکانیسم خنک کننده اساسی برای محاسبات صفر مطلق است. این تکنیک باید از نظر لجستیکی و عملیاتی در مقایسه با خنک‌کننده مبتنی بر سیال، بسیار کوچک‌تر، کم‌هزینه‌تر و کمتر مستعد خطا باشد.

میکا پرونیلا در مرکز تحقیقات فنی VTT فنلاند گفت: فناوری ما می‌تواند به صنعت کمک کند تا اندازه کلی سیستم کامپیوتری کوانتومی را کاهش دهد.

با این حال، یکی از مشکلات خنک کننده های ترمیونیک این است که فعالیت الکترونی تنها منبع گرمای اساسی نیست. سایر ذرات، نیمه ذرات و شبه ذرات نیز با یکدیگر تعامل دارند.کم پیش نمی آید که سرمایش حاصل از جاری سازی الکترون در نتیجه بازگشت ذرات دیگر (در این مورد فونون ها) از بین برود. برهم کنش ذرات درون ماده ای که قبلا سرد شده است باعث گرم شدن دوباره آن میشود، این فرایند به عنوان پس پراکنش (backscattering) شناخته می شود. نکته مهم این است که دستگاه ترمیونیک محققین می تواند هم الکترون ها را هدایت کند و هم فونون های برگشتی را از برهم کنش و گرم کردن سطح سرد شده قبلی جلوگیری کند.

دستگاه ترمیونیک محققان با هدایت گرما از طریق محیط های مختلف در نقاط اتصال آنها (جایی که مواد با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند) کار می کند. در این حالت، گرما از محیط ابررسانا به نیمه‌رسانا کشیده می‌شود و گرما را از حساس‌ترین بیت‌ها (آنهایی که نزدیک به صفر مطلق می‌خواهیم) به سمت آنهایی که حساسیت کمتری دارند رانده می‌شود. به این ترتیب می توان اثر خنک کنندگی را به حداکثر رساند.

هنوز روزهای اولیه برای این فناوری است، اما اگر رایانه‌های کوانتومی و رایانه‌های کلاسیک با سرعت مفیدی به توسعه خود ادامه دهند، پیشرفت‌های اساسی در مدیریت گرما مورد نیاز است. شاید دستگاه ترمیونیک محققین فنلاندی پاسخگو باشد، یا شاید نه. این روش حداقل، برخی از ناشناخته های قبلی را حل می کند و راه را به سمت روش های خنک کنندگی کوچکتر و توانمندتر هموار می کند.