اپتیک و کوانتوم

از تثبیت کیوبیت ها (واحد اساسی اطلاعات در یک کامپیوتر کوانتومی) گرفته تا حفظ خواص ابررسانایی مواد و خنک نگه داشتن تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا به اندازه کافی برای مشاهده آسمان ها، تبرید فوق سرد برای عملکرد بسیاری از دستگاه ها و حسگرها ضروری است. برای چندین دهه، یخچال لوله پالس (PTR) وسیله ای برای دستیابی به دمایی به سردی خلاء فضای بیرونی بوده است. این یخچال‌ها به صورت چرخه‌ای گاز هلیوم فشار بالا را فشرده (گرم می‌کنند) و منبسط می‌کنند (خنک می‌کنند)، که تقریباً مشابه روشی است که یک یخچال خانگی از تبدیل فریون از مایع به بخار برای حذف گرما استفاده می‌کند. برای بیش از 40 سال، PTR قابلیت اطمینان خود را ثابت کرده است، اما بیش از هر مؤلفه دیگری در آزمایش دمای بسیار پایین، برق مصرف می کند.

هنگامی که محقق NIST رایان اسنودگرس و همکارانش نگاه دقیق تری به یخچال انداختند، متوجه شدند که سازندگان این دستگاه را به گونه ای ساخته اند که تنها در دمای عملیاتی نهایی آن یعنی 4 کلوین (K) یا 4 درجه بالاتر از صفر مطلق، از لحاظ انرژی بهینه باشد. این تیم دریافتند که این یخچال ها در دماهای بالاتر بسیار ناکارآمد هستند - یک مشکل بزرگ است زیرا فرآیند خنک شدن در دمای اتاق شروع می شود. طی یک سری آزمایشات، اسنودگرس به همراه دانشمندان NIST جوئل اولوم، وینسنت کوتسوبو و اسکات بکهاوس دریافتند که در دمای اتاق، گاز هلیوم تحت چنان فشار بالایی قرار دارد که مقداری از آن به جای استفاده از دریچه کمکی عبور داده می‌شود. برای خنک کردن با تغییر اتصالات مکانیکی بین کمپرسور و یخچال، تیم اطمینان حاصل کرد که هیچ یک از هلیوم هدر نخواهد رفت و کارایی یخچال را تا حد زیادی بهبود بخشید.

به طور خاص، محققان به طور مداوم مجموعه‌ای از دریچه‌ها را تنظیم می‌کردند که میزان گاز هلیوم جریان یافته از کمپرسور به یخچال را کنترل می‌کردند. دانشمندان دریافتند که اگر اجازه دهند دریچه‌ها در دمای اتاق دهانه بزرگ‌تری داشته باشند و سپس با ادامه خنک‌سازی به تدریج آن‌ها را ببندند، می‌توانند زمان خنک‌کردن را بین نصف تا یک چهارم میزان فعلی کاهش دهند. در حال حاضر، دانشمندان باید یک روز یا بیشتر منتظر بمانند تا مدارهای کوانتومی جدید برای آزمایش به اندازه کافی سرد شوند. از آنجایی که پیشرفت تحقیقات علمی را می توان با زمان لازم برای رسیدن به دمای برودتی محدود کرد، خنک شدن سریعتر ارائه شده توسط این فناوری می تواند به طور گسترده بر بسیاری از زمینه ها، از جمله محاسبات کوانتومی و سایر زمینه های تحقیقات کوانتومی تأثیر بگذارد.

اسنودگرس گفت: فناوری توسعه‌یافته توسط تیم NIST همچنین می‌تواند به دانشمندان این امکان را بدهد که یخچال‌های لوله پالس بزرگ را با یخچال‌های بسیار کوچک‌تر جایگزین کنند که به زیرساخت‌های پشتیبانی کمتری نیاز دارند. نیاز به این یخچال‌ها تا حد زیادی گسترش خواهد یافت، زیرا تحقیقات در مورد محاسبات کوانتومی، همراه با تکیه آن بر فناوری برودتی، همچنان در حال رشد است. PTR اصلاح شده پس از آن مقدار بسیار بیشتری در هزینه، انرژی الکتریکی و آب خنک کننده صرفه جویی می کند. این دستگاه علاوه بر حمایت از اقتصاد کوانتومی رو به رشد، تحقیقات را نیز تسریع می‌کند، زیرا دانشمندان دیگر مجبور نیستند روزها یا هفته‌ها منتظر خنک شدن کیوبیت‌ها و سایر اجزای کوانتومی باشند.

Ryan Snodgrass et al, Dynamic acoustic optimization of pulse tube refrigerators for rapid cooldown, Nature Communications (2024).