Atteindre le zéro absolu pour l’informatique quantique maintenant beaucoup plus rapidement grâce à une conception révolutionnaire du réfrigérateur
Une technologie de refroidissement révolutionnaire pourrait contribuer à revigorer l’informatique quantique et à réduire de plusieurs semaines le temps de préparation coûteux des expériences scientifiques clés.
Les scientifiques doivent souvent générer des températures proches de zéro absolu pour l’informatique quantique et l’astronomie, entre autres utilisations. Connues sous le nom de « Big Chill », ces températures protègent les instruments électriques les plus sensibles de toute interférence, telle que les changements de température. Cependant, les réfrigérateurs utilisés pour atteindre ces températures sont extrêmement coûteux et inefficaces.
Cependant, des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) – une agence gouvernementale américaine – ont construit un nouveau prototype de réfrigérateur qui, selon eux, peut atteindre le Big Chill beaucoup plus rapidement et efficacement.
Les chercheurs ont publié les détails de leur nouvelle machine le 23 avril dans la revue Nature Communications. Ils ont affirmé que son utilisation pourrait permettre d’économiser 27 millions de watts d’énergie par an et de réduire la consommation mondiale d’énergie de 30 millions de dollars.
Une nouvelle génération de réfrigérateur
Les réfrigérateurs domestiques conventionnels fonctionnent selon un processus d’évaporation et de condensation. Science en direct. Un liquide réfrigérant est poussé à travers un tuyau spécial basse pression appelé « serpentin d’évaporateur ».
En s’évaporant, il absorbe la chaleur pour refroidir l’intérieur du réfrigérateur, puis passe dans un compresseur qui le transforme à nouveau en liquide, augmentant ainsi sa température lorsqu’il est rayonné par l’arrière du réfrigérateur.
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Pour atteindre les températures requises, les scientifiques utilisent des réfrigérateurs à tubes pulsés (PTR) depuis plus de 40 ans. Les PTR utilisent de l’hélium gazeux dans un processus similaire mais avec une bien meilleure absorption de la chaleur et sans pièces mobiles.
Bien qu’efficace, il consomme d’énormes quantités d’énergie, coûte cher à exploiter et prend beaucoup de temps. Cependant, les chercheurs du NIST ont également découvert que les PTR sont inutilement inefficaces et peuvent être considérablement améliorés pour réduire les temps de refroidissement et abaisser le coût global.
Dans l’étude, les scientifiques ont déclaré que les PTR « souffrent d’inefficacités majeures », comme le fait d’être optimisés « pour des performances uniquement à leur température de base » – généralement proche de 4 Kelvin. Cela signifie qu’en refroidissant, les PTR fonctionnent à des niveaux très inefficaces, ont-ils ajouté.
L’équipe a découvert qu’en ajustant la conception du PTR entre le compresseur et le réfrigérateur, l’hélium était utilisé plus efficacement. Pendant le refroidissement, une partie est normalement poussée dans une soupape de décharge plutôt que d’être poussée autour du circuit comme prévu.
L’informatique quantique à une fraction du coût
La refonte proposée comprend une valve qui se contracte à mesure que la température baisse pour éviter que de l’hélium ne soit gaspillé de cette manière. En conséquence, le PTR modifié de l’équipe du NIST a atteint le Big Chill 1,7 à 3,5 fois plus rapidement, ont indiqué les scientifiques dans leur article.
« Dans des expériences plus petites de prototypage de circuits quantiques où les temps de refroidissement sont actuellement comparables aux temps de caractérisation, l’optimisation acoustique dynamique peut augmenter considérablement le débit de mesure », ont écrit les chercheurs.
Les chercheurs ont déclaré dans leur étude que la nouvelle méthode pourrait réduire d’au moins une semaine les expériences menées à l’Observatoire souterrain cryogénique pour les événements rares (CUORE) – une installation en Italie utilisée pour rechercher des événements rares tels qu’une forme actuellement théorique de désintégration radioactive. . Le moins de bruit de fond possible doit être obtenu pour obtenir des résultats précis de ces installations.
Les ordinateurs quantiques nécessitent un niveau d’isolation similaire. Ils utilisent des bits quantiques, ou qubits. Les ordinateurs conventionnels stockent les informations sous forme de bits, codent les données avec une valeur de 1 ou 0 et effectuent des calculs en séquence, mais les qubits occupent une superposition de 1 et 0, grâce aux lois de mécanique quantique, et peut être utilisé pour traiter des calculs en parallèle. Les qubits, cependant, sont incroyablement sensibles et doivent être séparés du plus grand nombre possible de bruits de fond, y compris des minuscules fluctuations de l’énergie thermique.
Les chercheurs ont déclaré que des méthodes de refroidissement encore plus efficaces pourraient théoriquement être mises au point dans un avenir proche, ce qui pourrait conduire à une innovation plus rapide dans le domaine de l’informatique quantique.
L’équipe a également déclaré que leur technologie pourrait également être utilisée pour atteindre des températures extrêmement froides en même temps, mais à un coût bien inférieur, ce qui pourrait profiter à l’industrie de la cryogénie, en réduisant les coûts des expériences et des applications industrielles qui ne demandent pas beaucoup de temps. Les scientifiques travaillent actuellement avec un partenaire industriel pour commercialiser leur PTR amélioré.