撰文：罗里.巴斯盖特                   2024年5月27日

冷却技术的新发现，可能有助于量子计算机比预期更快地实现。（图片：Bartlomiej Wroblewski通过盖蒂图片社）

一项突破性的冷却技术可能有助于振兴量子计算机，并将关键科学实验的昂贵准备时间，

缩短数周。

科学家通常需要产生接近绝对零度的温度，用于量子计算机和天文学等用途。这种温度被称为“大寒”，可以使最敏感的电气仪器免受干扰，比如温度变化。然而，用于实现这些温度的冰箱是极其昂贵和低效的。

然而，美国政府机构美国国家标准与技术研究所（NIST）的科学家们，已经制造了一种新的冰箱原型，他们声称这种冰箱可以更快、更有效地实现“大寒”。

研究人员于4月23日在《自然通讯》杂志上，发表了他们新机器的详细信息。他们声称，使用它每年可以节省2700万瓦的电力，并将全球能源消耗减少3000万美元。

一种新型冰箱

据《生活科学》报道，传统的家用冰箱是通过蒸发和冷凝的过程工作的。制冷剂液体被推动通过一种称为“蒸发器盘管”的特殊低压管道

当它蒸发时，它吸收热量来冷却冰箱内部，然后通过压缩机将其变回液体，在通过冰箱背面辐射时提高温度。

为了达到所需的温度，科学家们已经使用脉冲管冰箱（PTR）40多年了。PTR在类似的过程中使用氦气，但具有更好的吸热能力，并且没有移动部件。

虽然有效，但它消耗大量能量，运行成本高昂，而且需要很长时间。然而，NIST的研究人员也发现，PTR的效率不必要，可以大大改进，以减少冷却时间并降低总体成本。

在这项研究中，科学家们表示，PTR“效率低下”，例如“仅在其基本温度（通常接近4开尔文）下进行性能优化”。他们补充道，这意味着在冷却的同时，PTR的运行效率极低。

研究小组发现，通过调整压缩机和冰箱之间PTR的设计，氦气的使用效率更高。冷却时，其中一些通常被推入减压阀，而不是按预期在回路中推动。

以很小的成本进行量子计算

他们提出的重新设计包括一个阀门，当温度下降时会收缩，以防止任何氦气以这种方式浪费。因此，科学家们在论文中表示，NIST团队修改后的PTR实现大寒的速度，快了1.7到3.5倍。

研究人员写道：“在量子电路原型的小型实验中，冷却时间目前与表征时间相当，动态声学优化可以显著提高测量吞吐量。”

研究人员在他们的研究中表示，新方法可以使低温地下罕见事件观测站（CUORE）的实验至少减少一周，该观测站位于意大利，用于寻找罕见事件，如目前理论上的放射性衰变形式。为了从这些设施中获得准确的结果，必须实现尽可能小的背景噪声。

量子计算机机需要类似程度的隔离，他们使用量子比特。传统的计算机以比特存储信息，并对值为1或0的数据进行编码，并按顺序执行计算，但由于量子力学定律，量子位占据1和0的叠加，可以用于并行处理计算。然而，量子位非常敏感，需要尽可能多地与背景噪声分离，包括热能的微小波动。

研究人员表示，理论上在不久的将来可以实现更高效的冷却方法，这可能会导致量子计算机领域更快的创新。

   该团队还表示，他们的技术可以同时实现极冷温度，但成本要低得多，这可能有利于低温行业，降低非时间密集型实验和工业应用的成本。科学家们目前正在与一家工业合作伙伴合作，以商业方式发布他们改进的PTR。