Nueva tecnología de enfriamiento electrónico para permitir la miniaturización de computadoras cuánticas

Nueva tecnología de enfriamiento electrónico para permitir la miniaturización de computadoras cuánticas

Crédito: Centro de Investigación Técnica VTT de Finlandia.

Los investigadores de VTT han demostrado con éxito una nueva tecnología de refrigeración electrónica que podría permitir grandes saltos en el desarrollo de computadoras cuánticas. Las computadoras cuánticas actuales requieren una infraestructura de enfriamiento extremadamente complicada y grande que se basa en una mezcla de isótopos de helio. La nueva tecnología de enfriamiento electrónico podría reemplazar estas mezclas líquidas criogénicas y permitir la miniaturización de las computadoras cuánticas.

En este método de refrigeración puramente eléctrico, el enfriamiento y el aislamiento térmico funcionan de manera efectiva a través del mismo punto, como la unión. En el experimento, los investigadores suspendieron una pieza de silicio de tales uniones y refrigeraron el objeto alimentando corriente eléctrica de una unión a otra a través de la pieza. La corriente redujo la temperatura termodinámica del objeto de silicio hasta en un 40% con respecto a la del entorno. Esto podría conducir a la miniaturización de las futuras computadoras cuánticas, ya que puede simplificar significativamente la infraestructura de enfriamiento requerida. El descubrimiento ha sido publicado en Avances científicos.

“Esperamos que este método de enfriamiento electrónico recién descubierto se pueda utilizar en varias aplicaciones, desde la miniaturización de computadoras cuánticas hasta sensores de radiación ultrasensibles del campo de seguridad”, dice la profesora de investigación Mika Prunnila del Centro de Investigación Técnica VTT de Finlandia.

Nuevas oportunidades para la ciencia y los negocios.

Varios dispositivos electrónicos y ópticos sensibles requieren operación a baja temperatura. Un ejemplo oportuno es una computadora cuántica construida a partir de circuitos superconductores, que requieren una refrigeración cercana al cero absoluto de temperatura termodinámica (-273,15 grados C).

Hoy en día, las computadoras cuánticas superconductoras se enfrían con los llamados refrigeradores de dilución, que son enfriadores de etapas múltiples basados ​​en el bombeo de líquidos criogénicos. La complejidad de este refrigerador surge de la etapa más fría, cuya operación se basa en bombear una mezcla de diferentes isótopos de helio. Aunque los refrigeradores modernos de dilución son tecnología comercial, siguen siendo instrumentos científicos grandes y costosos. La tecnología de enfriamiento electrónico desarrollada por los investigadores de VTT podría reemplazar las partes más frías complejas y conducir a reducciones significativas en complejidad, costo y tamaño.

“El efecto de enfriamiento demostrado puede usarse para enfriar activamente los circuitos cuánticos en un chip de silicio o en refrigeradores a gran escala. No hace falta decir que en Bluefors estamos siguiendo este nuevo desarrollo de refrigeradores eléctricos con gran interés”, dice David Gunnarsson, director de ventas de Bluefors Oy, la compañía líder de soluciones de refrigerador para sistemas cuánticos y computadoras.

Nueva tecnología de enfriamiento electrónico para permitir la miniaturización de computadoras cuánticas

Crédito: Centro de Investigación Técnica VTT de Finlandia.

Solución directa a un problema de física aparentemente fundamental

El equipo de investigación estaba buscando un método eficiente y práctico para conducir el calor de un lugar a otro a través de la corriente eléctrica. La solución más eficiente la proporcionaría una unión sólida, donde los electrones más calientes escalan sobre una barrera de potencial de escala atómica corta. El desafío con este enfoque es que el calor no solo es transportado por los electrones, sino también por los cuantos de las vibraciones de la red atómica, los llamados fonones, que también transportan una cantidad significativa de calor. Los fonones que viajan entre el calor y el frío nivelan las diferencias de temperatura de manera muy efectiva, especialmente a corta distancia.

Parecía que el método de enfriamiento electrónico más eficiente siempre conducía a la peor fuga de calor de fonones posible y, por lo tanto, un resultado nulo en términos de enfriamiento general. El equipo de investigación de VTT postuló que podría existir una solución directa a este problema aparentemente fundamental: ciertas uniones materiales podrían bloquear la propagación de los fonones mientras los electrones calientes lo atraviesan.

El equipo demostró el efecto utilizando uniones semiconductoras-superconductoras para refrigerar un chip de silicio. En estas uniones, los estados electrónicos prohibidos en el superconductor forman una barrera sobre la cual los electrones del semiconductor tienen que trepar para alejar el calor. Al mismo tiempo, la unión misma dispersa o bloquea los fonones de manera tan efectiva que la corriente electrónica puede introducir una diferencia de temperatura significativa sobre la unión.

“Creemos que este efecto de enfriamiento se puede observar en muchos entornos, por ejemplo, en las uniones moleculares”, dice la investigadora Emma Mykkänen de VTT.


Mantenerse fresco con pozos cuánticos


Más información:
Emma Mykkänen y col. Dispositivos de unión termiónica que utilizan bloqueo de fonones, Avances científicos (2020). DOI: 10.1126 / sciadv.aax9191

Los resultados son resultados de un proyecto de la UE coordinado por VTT EFINIDO.

Proporcionado por
Centro de Investigación Técnica VTT de Finlandia


Citación:
                                                 Nueva tecnología de enfriamiento electrónico para permitir la miniaturización de las computadoras cuánticas (2020, 14 de abril)
                                                 Consultado el 14 de abril de 2020
                                                 de https://phys.org/news/2020-04-electronic-cooling-technology-enable-miniaturization.html

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