اپتیک و کوانتوم

برای انجام محاسبات کوانتومی، بیت‌های کوانتومی (کیوبیت) باید تا دمایی در محدوده میلی‌کلوین (نزدیک به ۲۷۳- درجه سانتیگراد) خنک شوند تا حرکت اتمی کاهش یابد و نویز به حداقل برسد. با این حال، وسایل الکترونیکی مورد استفاده برای مدیریت این مدارهای کوانتومی گرما تولید می کنند که حذف آن در چنین دماهای پایینی دشوار است. بنابراین بیشتر فناوری‌های کنونی باید مدارهای کوانتومی را از اجزای الکترونیکی خود جدا کنند و باعث ایجاد نویز و ناکارآمدی‌هایی می­شوند که مانع تحقق سیستم‌های کوانتومی بزرگتر در خارج از آزمایشگاه می‌شوند. محققان آزمایشگاه الکترونیک و سازه های نانومقیاس EPFL (LANES) به سرپرستی آندراس کیس در دانشکده مهندسی اکنون دستگاهی ساخته اند که نه تنها در دماهای بسیار پایین کار می کند، بلکه این کار را با کارایی قابل مقایسه با فناوری های فعلی در دمای اتاق انجام می دهد. این دستاورد در NatureNanotechnologyمنتشر شده است.

گابریل پاسکواله می گوید: "ما اولین کسی هستیم که دستگاهی را ایجاد کردیم که با راندمان تبدیل فناوری های فعلی مطابقت داشته باشد، اما در میدان های مغناطیسی پایین و دماهای بسیار پایین مورد نیاز برای سیستم های کوانتومی کار می کند. این کار واقعاً یک قدم جلوتر است." این دستگاه نوآورانه رسانایی الکتریکی عالی گرافن را با خواص نیمه هادی سلنید ایندیم ترکیب می کند. تنها با ضخامت چند اتم، مانند یک جسم دو بعدی رفتار می کند، و این ترکیب جدید از مواد و ساختار عملکرد بی سابقه ای را ارائه می دهد. این دستگاه از اثر Nernst استفاده می کند: یک پدیده ترموالکتریک پیچیده که وقتی میدان مغناطیسی عمود بر جسمی با دمای متفاوت اعمال می شود، ولتاژ الکتریکی ایجاد می کند. ماهیت دوبعدی دستگاه آزمایشگاه باعث می شود کارایی این مکانیسم به صورت الکتریکی کنترل شود.

ساختار دو بعدی در مرکز EPFL برای فناوری نانو و آزمایشگاه LANES ساخته شد. آزمایش‌ها شامل استفاده از لیزر به‌عنوان منبع گرما و یک یخچال رقیق‌کننده تخصصی برای رسیدن به 100 میلی‌کلوین بود - دمایی حتی سردتر از فضای بیرون. تبدیل گرما به ولتاژ در چنین دماهای پایینی معمولاً بسیار چالش برانگیز است، اما دستگاه جدید و مهار آن از اثر نرنست این امکان را فراهم می کند و شکاف مهمی را در فناوری کوانتومی پر می کند. اگر به یک لپ‌تاپ در یک دفتر سرد فکر می‌کنید، لپ‌تاپ همچنان در حین کار گرم می‌شود و باعث می‌شود دمای اتاق نیز افزایش یابد. در سیستم‌های محاسباتی کوانتومی، در حال حاضر هیچ مکانیزمی برای جلوگیری از ایجاد اختلال در این گرما وجود ندارد. کیوبیت می‌تواند این خنک‌سازی لازم را فراهم کند. پاسکوال که یک فیزیکدان با آموزش است، تأکید می کند که این تحقیق بسیار مهم است زیرا تبدیل انرژی حرارتی در دماهای پایین را روشن می کند - پدیده ای که تاکنون کشف نشده بود. با توجه به راندمان تبدیل بالا و استفاده از قطعات الکترونیکی بالقوه قابل ساخت، تیم LANES  همچنین بر این باور است که دستگاه آنها می تواند در مدارهای کوانتومی با دمای پایین موجود ادغام شود.

پاسکوال می‌گوید: «این یافته‌ها نشان‌دهنده یک پیشرفت بزرگ در فناوری نانو است و نویدبخش توسعه فناوری‌های خنک‌کننده پیشرفته ضروری برای محاسبات کوانتومی در دمای میلی‌کلوین است.» ما معتقدیم این دستاورد می تواند سیستم های خنک کننده را برای فناوری های آینده متحول کند.

More information: Gabriele Pasquale et al, Electrically tunable giant Nernst effect in two-dimensional van der Waals heterostructures, Nature Nanotechnology