Инженеры EPFL создали устройство, способное эффективно преобразовывать тепло в напряжение при температурах ниже, чем в космосе. Нововведение может помочь преодолеть серьезное препятствие на пути развития технологии квантовых вычислений, для оптимальной работы которой требуются чрезвычайно низкие температуры.

Для выполнения квантовых вычислений квантовые биты (кубиты) необходимо охладить до температур в диапазоне милликельвинов (почти -273 градуса Цельсия), чтобы замедлить движение атомов и минимизировать шум. Однако электроника, используемая для управления этими квантовыми схемами, генерирует тепло, которое трудно удалить при таких низких температурах. В результате большинство современных технологий приходится отделять квантовые схемы от их электронных компонентов, что приводит к шуму и неэффективности, препятствующим реализации более крупных квантовых систем за пределами лаборатории.

Исследователи из Лаборатории наноэлектроники и структур (LANES) EPFL под руководством Андраша Киса создали устройство, которое не только работает при чрезвычайно низких температурах, но и столь же эффективно, как современные технологии при комнатной температуре. Результаты опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.

Аспирант LANES Габриэле Паскуале сказал: «Мы первые, кто создал устройство, которое по эффективности преобразования соответствует современным технологиям, но работает при низких магнитных полях и сверхнизких температурах, необходимых для квантовых систем. Эта работа действительно является шагом вперед».

Инновационное устройство сочетает в себе превосходную электропроводность графена с полупроводниковыми свойствами селенида индия. Эта новая комбинация материалов и структуры толщиной всего в несколько атомов, ведущая себя как двумерный объект, обеспечивает беспрецедентные характеристики.

Устройство использует эффект Нернста: сложное термоэлектрическое явление, которое создает напряжение, когда магнитное поле перпендикулярно объекту, температура которого меняется. Двухмерная природа лабораторного оборудования позволяет электрически контролировать эффективность механизма.

2D-структуры были изготовлены в Центре микронанотехнологий EPFL и лаборатории LANES. Эксперименты включали использование лазеров в качестве источников тепла и специализированных холодильников для разбавления, чтобы достичь температуры 100 милликельвинов — температуры даже ниже, чем в космическом пространстве.

Преобразование тепла в напряжение при таких низких температурах обычно является очень сложной задачей, но новое устройство и использование эффекта Нернста делают это возможным, заполняя ключевой пробел в квантовых технологиях.

«Если вы оставите свой ноутбук в холодном офисе, он все равно будет нагреваться во время работы, вызывая повышение температуры в помещении. В системах квантовых вычислений в настоящее время не существует механизма, предотвращающего воздействие этого тепла на кубиты. Наше устройство может обеспечить необходимое охлаждение», — сказал Паскуале.

Паскуале, физик по образованию, подчеркнул, что исследование важно, поскольку оно проливает свет на термоэлектрическое преобразование энергии при низких температурах – до сих пор неизученное явление. Учитывая высокую эффективность преобразования и использование потенциально производственных электронных компонентов, команда LANES также считает, что их устройство уже может быть интегрировано в существующие низкотемпературные квантовые схемы.

«Эти результаты представляют собой крупный прогресс в нанотехнологиях и обещают развитие передовых технологий охлаждения, критически важных для квантовых вычислений при температурах в милликельвинах», — сказал Паскуале. «Мы считаем, что это достижение произведет революцию в системах охлаждения для технологий будущего».