Finlandiya’nın VTT Teknik Araştırma Merkezi’ndeki bir ekibin araştırması, daha sürdürülebilir ve performanslı kuantum bilgisayarlara giden yolu gösterebilir. Araştırma ekibi, soğutmanın tamamen elektronik bir şekilde gerçekleşmesine olanak tanıyan vakum tüpü benzeri bir cihaz tasarladı; bu, seyreltme ile soğutulan kuantum bilgisayarların soğutma maliyetlerini düşürmeye yönelik olası bir yol on kat kadar. Deneylerinde araştırmacılar, tasarımlarının sıcaklıkların %40’a kadar düşmesine izin verdiğini buldu.
Bu kuantum bilgisayarlar, yararlı hesaplama çalışmaları gerçekleştirmek için çoğunlukla süper iletken transmon kubitlerinden yararlanıyor ve IBM, Google, Amazon ve diğerleri gibi kuantum ileri şirketlerinin (hepsi değil) tercih ettiği kübitler oldu. Ancak bu süper iletken kübitlerin çalışabilmesi için uzayın mutlak sıfır sıcaklığına (~ 1 Kelvin) yakın bir sıcaklığa soğutulmaları gerekiyor. Bu ideal çalışma sıcaklıklarına ulaşmak için farklı helyum izotoplarının karıştırılmasının gerekliliği, ilave karmaşıklık katmanları ekler.
Herhangi bir yüksek seviyeli hesaplamanın temel sınırlamalarından biri soğutma kapasitesidir; yani hesaplamayla üretilen ısıyı çalışma devrelerinden uzaklaştırma yeteneği. Bu özel sınır bugünlerde her yerde görülüyor – 16 çekirdekli Zen 5 CPU’ları soğutmanın zorluğundan, GPU’larımızın çerçeveleri pompalamasını sağlayan devasa fan ve metal yığınlarına kadar, ısı günümüzün bilgi işlem dünyasındaki en zorlu mühendislik sorunlarından biri. ve yarın.
Ancak kuantum bilgisayarlar geleneksel elektroniklerden çok daha hassastır; dış müdahalelere daha yatkındırlar ve hangi tür müdahalelerin yararlı, çalışan kübit durumlarını çökertebileceği konusunda daha kararsızdırlar. Bu nedenle, daha basit, daha verimli soğutmaya olanak tanıyan yeni tekniklere çok ihtiyaç var. Yeni soğutma tekniklerinde bazı ilerlemeler elde edilmiş olsa da (Frore’un AirJet tekniği gibi), hepsi çoğunlukla aynı şekilde çalışır: ısı taşıyan bir ortamın (su veya hava gibi) ısı kaynağından uzağa yönlendirilmesi.
Ancak VTT’deki Finli bilim insanları tamamen farklı bir yol izliyorlar: termiyonik cihaz ısıyı elektron şeklinde yayan (elektronları kanalize etmek enerji gerektirir, bu nedenle termiyonik cihazlar bu enerjiden yararlanır) Peltier etkisi genellikle başka bir enerji tüketimi adımı başlatır). Ancak en önemlisi, bu cihaz soğutmanın neredeyse en uç noktaya kadar alınmasına izin veriyor: Araştırmacılar, elektronikleri 1,5 K ile 0,1 K arasındaki bir aralığa kadar soğutmayı bekliyorlar; bu, “mutlak sıfır” için temel bir soğutma mekanizması olarak hizmet etmek için fazlasıyla yeterli. ” bilgi işlem. Ve bu teknik, sıvı bazlı soğutmaya kıyasla hem lojistik hem de operasyonel açıdan çok daha küçük, daha ucuz ve hataya daha az eğilimli olmalıdır.
“Teknolojimiz endüstrinin genel kuantum bilgisayar sistemi boyutunu küçültmesine yardımcı olabilir” dedi Mika Prunnila Espoo’daki Finlandiya VTT Teknik Araştırma Merkezi’nde.
Temel olarak ısı, hızlı hareketten ve temel parçacıklar arasındaki enerji açığa çıkaran çarpışmalardan kaynaklanır. Kuantum hesaplama, çeşitli nedenlerden dolayı mutlak sıfıra yakın sıcaklıklar gerektirir (kısmen süper iletken bağlantı noktaları yalnızca bu sıcaklıkta süper iletken hale geldiğinden, bu da şu anda mevcut olan süper iletken malzemelerin bir yansımasıdır). Mutlak sıfır sıcaklık ortamlarında, temel parçacıklar yavaşlayacak kadar yavaşlar. Daha yavaş hareket ettikleri için daha az çarpışma olur, bu da hem daha az ısı hem de gözlemlenmesi ve yararlı bilgilerin çıkarılması çok daha kolay olan daha dayanıklı bir bilgi işlem durumuyla sonuçlanır. Büyükbabanızı Formula 1’de hızla geçerken tanımlamaya çalışmak bir şeydir, ancak F1’i yavaş hareket eden bir traktörle değiştirdiğinizde kafasındaki kılları saymak çok daha kolaydır.
Ancak termiyonik soğutucularla ilgili bir sorun, elektron aktivitesinin temel ısının tek kaynağı olmamasıdır. Diğer parçacıklar, yarı parçacıklar ve yarı parçacıklar da birbirleriyle etkileşime girer; ve elektron saçılması yoluyla elde edilen soğutmanın, diğer parçacıkların (bu durumda fononların) “geri gelmesi”, önceden soğutulmuş malzeme içindeki parçacıklarla etkileşime girmesi (çarpışması) ve onu ısıtması sonucunda kaybolması nadir değildir. yine “olarak bilinen bir süreçtegeri saçılma“. Araştırmacıların termiyonik cihazı hem elektronları yönlendirebiliyor hem de geri dönen fononların önceden soğutulmuş yüzeyle etkileşime girmesini (ve ısınmasını) engelleyebiliyor.
Araştırmacıların termiyonik cihazı, ısıyı farklı ortamlardan birleşme noktalarında (materyallerin birbiriyle arayüz oluşturduğu yerde) kanalize ederek çalışıyor. Bu durumda, ısı süperiletken ortamdan yarı iletken ortama çekilir ve ısı en hassas bitlerden (mutlak sıfıra yakın olmasını istediklerimiz) daha az hassas olanlara doğru itilir. Bu şekilde soğutma etkisi maksimuma çıkarılabilir.
Teknoloji için henüz erken ama kuantum bilgisayarlar ve klasik bilgisayarlar yararlı bir hızda gelişmeye devam edeceklerse, ısı yönetiminde temel atılımlar yapılması gerekiyor. Belki de Finli araştırmacıların termiyonik cihazı cevap olabilir veya olmayabilir. En azından daha küçük, daha yetenekli soğutma çözümlerine doğru bazı önceki bilinmeyenleri ortadan kaldırıyor.