La tecnologia di raffreddamento avanzata potrebbe contribuire a rivitalizzare l’informatica quantistica e ridurre di settimane i costosi tempi di preparazione negli esperimenti scientifici chiave.
Gli scienziati spesso hanno bisogno di generare temperature vicine a… Zero Assoluto Per l’informatica quantistica e l’astronomia, tra gli altri usi. Queste temperature sono conosciute come il “grande freddo”, poiché mantengono i dispositivi elettrici più sensibili liberi da interferenze, come gli sbalzi di temperatura. Tuttavia, i frigoriferi utilizzati per raggiungere queste temperature sono molto costosi e inefficienti.
Tuttavia, gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST), un’agenzia governativa statunitense, hanno costruito un nuovo prototipo di frigorifero che, secondo loro, può ottenere un raffreddamento significativo in modo più rapido ed efficiente.
I ricercatori hanno pubblicato i dettagli della loro nuova macchina il 23 aprile sulla rivista Nature Communications. Sostenevano che il suo utilizzo potrebbe far risparmiare 27 milioni di watt di energia all’anno e ridurre il consumo energetico globale di 30 milioni di dollari.
Una nuova generazione di frigoriferi
I frigoriferi domestici tradizionali funzionano attraverso un processo di evaporazione e condensazione Scienze vive. Il refrigerante viene forzato attraverso uno speciale tubo a bassa pressione chiamato “serpentina evaporatrice”.
Mentre evapora, assorbe calore per raffreddare l’interno del frigorifero e poi passa attraverso un compressore che lo trasforma nuovamente in un liquido, aumentandone la temperatura mentre si irradia attraverso il retro del frigorifero.
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Per raggiungere le temperature desiderate, gli scienziati utilizzano frigoriferi a tubi pulsati (PTR) da oltre 40 anni. I dispositivi PTR utilizzano il gas elio in un processo simile ma con un migliore assorbimento del calore e senza parti mobili.
Sebbene efficace, consuma enormi quantità di energia, è costoso e richiede molto tempo per essere utilizzato. Tuttavia, i ricercatori del NIST hanno anche scoperto che i dispositivi PTR sono inutilmente inefficienti e potrebbero essere notevolmente migliorati per ridurre i tempi di raffreddamento e abbassare i costi complessivi.
Nello studio, gli scienziati hanno affermato che i dispositivi PTR “soffrono di notevoli carenze” come essere ottimizzati “per prestazioni solo alla temperatura interna” – tipicamente vicina a 4 Kelvin. Ciò significa che durante il raffreddamento, i PTR funzionano a livelli ampiamente inefficienti, hanno aggiunto.
Il team ha scoperto che modificando il design del PTR tra il compressore e il frigorifero, l’elio veniva utilizzato in modo più efficiente. Durante il raffreddamento, una parte viene solitamente forzata in una valvola di sicurezza invece di essere spinta nel circuito come previsto.
Informatica quantistica a una frazione del costo
La riprogettazione proposta include una valvola che si sgonfia quando la temperatura diminuisce per evitare che l’elio venga sprecato in questo modo. Di conseguenza, il PTR modificato del team del NIST ha ottenuto il punteggio Big Chill da 1,7 a 3,5 volte più velocemente, hanno affermato gli scienziati nel loro articolo.
“Negli esperimenti più piccoli che modellano circuiti quantistici in cui i tempi di raffreddamento sono attualmente paragonabili ai tempi di caratterizzazione, l’ottimizzazione acustica dinamica può aumentare significativamente la produttività delle misurazioni”, hanno scritto i ricercatori.
Il nuovo metodo potrebbe risparmiare almeno una settimana di esperimenti presso l’Osservatorio criogenico sotterraneo per eventi rari (CUORE), una struttura in Italia utilizzata per cercare eventi rari come l’attuale forma teorica di decadimento radioattivo, hanno affermato i ricercatori nel loro studio. Per ottenere risultati accurati da queste strutture è necessario ridurre al minimo il rumore di fondo possibile.
I computer quantistici necessitano di un livello di isolamento simile. Usano bit quantistici o qubit. I computer tradizionali memorizzano le informazioni in bit, codificano i dati con un valore di 1 o 0 ed eseguono calcoli in sequenza, ma i qubit occupano una sovrapposizione di 1 e 0, grazie alle leggi di Meccanica quantisticaPossono essere utilizzati per elaborare calcoli in parallelo. Tuttavia, i qubit sono incredibilmente sensibili e devono essere separati il più possibile dal rumore di fondo, comprese le piccole fluttuazioni dell’energia termica.
In teoria, nel prossimo futuro potrebbero essere realizzati metodi di raffreddamento più efficienti, che potrebbero portare a un’innovazione più rapida nel campo dell’informatica quantistica, hanno affermato i ricercatori.
Il team ha anche affermato che la loro tecnologia potrebbe invece essere utilizzata per raggiungere temperature ultrafredde allo stesso tempo ma a un costo molto inferiore, il che potrebbe avvantaggiare l’industria della criogenia, riducendo i costi per esperimenti e applicazioni industriali che non richiedono così tanto tempo. Gli scienziati stanno attualmente lavorando con un partner industriale per rilasciare commercialmente il PTR migliorato.
