Terwijl veel onderzoeksteams over de hele wereld proberen hoogwaardige kwantumcomputers te ontwikkelen, sommigen werken aan hulpmiddelen om de warmtestroom in hen te regelen. Net als conventionele computers, in feite, kwantumcomputers kunnen aanzienlijk opwarmen terwijl ze werken, die uiteindelijk zowel de apparaten als hun omgeving kunnen beschadigen.

Een team van onderzoekers aan de Universiteit van Grenoble Alpes in Frankrijk en het Centre of Excellence-Quantum Technology in Finland heeft onlangs een single-quantum-dot warmteklep ontwikkeld, een apparaat dat kan helpen om de warmtestroom in single-quantum-dot-juncties te regelen. Deze warmteklep, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , zou kunnen helpen voorkomen dat quantumcomputers oververhit raken.

"Met de miniaturisering van elektronische componenten is het omgaan met overtollige warmte op nanoschaal een steeds belangrijker probleem geworden dat moet worden aangepakt, "Nicola Lo Gullo, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Dit is vooral het geval wanneer men de kwantumaard van een apparaat wil behouden; de temperatuurstijging resulteert meestal in de degradatie van de kwantumeigenschappen. De recente realisatie van een fotonische warmteklep door een andere onderzoeksgroep inspireerde ons uiteindelijk om een warmteklep op basis van een solid-state quantum dot."

Een van de belangrijkste doelstellingen van de recente studie uitgevoerd door Lo Gullo en zijn collega's was om de haalbaarheid aan te tonen van het regelen van de hoeveelheid warmte die door een kwantumpuntovergang stroomt, terwijl het ook de stroom van een bepaalde hoeveelheid elektrische stroom mogelijk maakt. Om hun single-quantum-dot warmteklep te ontwerpen, de onderzoekers plaatsten een gouden nanodeeltje tussen twee metalen contacten, gebruiken als knooppunt. Dit nanodeeltje is zo klein dat het kan worden gebruikt om op één energieniveau in te grijpen, fungeren als een groter kunstmatig atoom met verschillende toegankelijke energieniveaus.

"Door de externe parameters goed af te stemmen, is het mogelijk om de elektronen in een van de contacten door slechts één van de niveaus van dit kunstmatige atoom te laten stromen en het andere contact te bereiken, Lo Gullo legde uit. "De kwantumstip op één niveau fungeert daarom als een brug tussen de twee metalen contacten."

In normale omstandigheden, de uitwisseling van energie is alleen mogelijk wanneer het energieniveau van een quantum dot in resonantie is met de energie van de elektronen in de contacten. In het apparaat ontwikkeld door Lo Gullo en zijn collega's, echter, de aanwezigheid van de contacten verandert de eigenschappen van het kunstmatige atoom, door zijn energieniveau te verbreden.

"Dit effect vormt de kern van het warmteklepeffect dat we hebben bestudeerd, " Lo Gullo toegevoegd. "De verbreding komt neer op het creëren van virtuele staten, die niet klassiek toegankelijk zijn en elektronen van het ene contact naar het andere laten stromen, door energie te dragen en aanleiding te geven tot het warmteklepeffect dat we hebben gerapporteerd."

In grotere (macroscopische) geleiders, onderzoekers hebben een eenvoudige en universele relatie vastgesteld tussen hun vermogen om elektrische lading te geleiden en hun vermogen om warmte te geleiden. Deze relatie wordt geschetst door een theoretische constructie die bekend staat als de wet van Wiedemann-Franz.

In kwantumapparaten zoals die ontwikkeld door Lo Gullo en zijn collega's, echter, dingen zijn niet zo eenvoudig. Dit komt door de kwantisering van lading en energie, wat leidt tot afwijkingen van de wet Wiedemann-Franz.

"Met behulp van de meest elementaire kwantummechanische afbeelding (semi-klassiek genoemd), je zou verwachten dat een kwantumpuntovergang helemaal geen warmte geleidt, "Clemens Winkelmann, een andere onderzoeker die bij het onderzoek betrokken was, vertelde Phys.org. "Onze metingen, echter, laten zien dat dit niet waar is, en de theoretische verklaring is gerelateerd aan kwantumfluctuaties, precies zoals in het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, die de energie en dus de warmtestroom gedeeltelijk herstellen."

Toen ze hun apparaat aan het ontwikkelen waren, de onderzoekers moesten een aantal technische uitdagingen overwinnen. Bijvoorbeeld, ze moesten een strategie identificeren om de temperatuur (en temperatuurverschillen) lokaal in een kwantumapparaat te meten. uiteindelijk, een van de grootste prestaties van hun onderzoek is dat ze deze metingen hebben kunnen verzamelen en zo een beter begrip hebben gekregen van hoe warmte wordt beheerd in kwantumapparaten.

"Elektronische apparaten produceren dissipatie wanneer ze informatie behandelen, en dit leidt tot de bekende oververhittingsproblemen die worden waargenomen bij klassieke processors, die ook voorkomen in de kwantumwereld, "Zei Winkelmann. "Oververhitting kan de logische werking van het apparaat verstoren, tot fouten leiden. Ons werk geeft een beter inzicht in hoe warmte wordt gegenereerd en kan worden afgevoerd in zo'n apparaat."

Door een strategie te introduceren om controle te krijgen over de warmte die door de kleinste knooppunten in kwantumapparaten stroomt, het recente artikel van Lo Gullo, Winkelmann en hun collega's zouden interessante nieuwe mogelijkheden kunnen openen met betrekking tot een opkomend studiegebied dat bekend staat als solid-state thermotronics. Solid-state thermotronica-onderzoek onderzoekt de mogelijkheid om warmtestromen door temperatuurgradiënten te regelen op een vergelijkbare manier als elektrische stromen en spanningen in bestaande apparaten.

"Solid-state thermotronica is een relatief nieuw vakgebied, maar er is belangrijke vooruitgang geboekt, zoals het realiseren van warmtekleppen, thermische diodes en transistors, energieoogsters en zelfs de voorstellen van thermische logische poorten, " zei Lo Gullo. "We hebben nog een ander voorbeeld gegeven van de haalbaarheid van het regelen en meten van warmtestromen en temperaturen in solid-state apparaten."

In de toekomst, de door dit team van onderzoekers ontwikkelde warmteklep zou de betrouwbaarheid en veiligheid van kwantumapparaten kunnen verbeteren, het risico op oververhitting te verminderen. In hun volgende studies, Lo Gullo en Winkelmann willen strategieën bedenken om dissipatie in de tijd te meten. Met andere woorden, in plaats van te focussen op de constante verwarming van een kwantumapparaat, ze zijn van plan om single te onderzoeken, elementaire kwantum-dissipatieve processen, zoals het tunnelen van een enkel elektron of een enkele 2π slip van de kwantummechanische fase.

"Er zijn veel mogelijke richtingen voor toekomstig onderzoek, " Lo Gullo voegde eraan toe. "We kijken momenteel naar kruispunten met een complexere structuur om te zien of ze enkele voordelen bieden in termen van bedienbaarheid. Een andere aantrekkelijke mogelijkheid is het realiseren van een tijdsafhankelijke regeling van de warmtestroom, waardoor realtime operaties mogelijk zijn met het oog op toepassingen voor thermotronica."

© 2021 Science X Network