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QC观察丨研究人员开发出超导量子制冷机

QC观察丨研究人员开发出超导量子制冷机
超导制冷机类似于传统制冷机,它在冷热储层之间移动材料。然而,传统制冷机是将液态变为气态,而超导制冷机则是将金属中的电子从成对的超导态变成未成对的正常态。

想象一下,一个冷到可以将原子转化为量子态的制冷机,它赋予了原子不受经典物理学规则约束的独特属性。

在《物理评论应用》杂志上发表的一篇论文中,罗切斯特大学物理学教授Andrew Jordan和他的研究生Sreenath Manikandan,以及来自NEST Istituto Nanoscienze-CNR和意大利Scuola Normale Superiore的同事Francesco Giazotto一起构思了这种制冷机,它将原子冷却到接近绝对零度的温度(约零下459华氏度)。科学家们可以利用基于超导量子特性的制冷机来促进和提高用于超快速量子计算机量子传感器或电路的性能。

什么是超导电性?

材料导电的程度称为导电性。当材料具有高导电性时,它很容易允许电流通过。例如,金属是良导体,而木材或金属线周围的屏蔽层是绝缘体。但是,虽然金属线是良导体,但它们仍然会因摩擦而遇到阻力。

在理想的情况下,材料导电而不遇到阻力;也就是说,它会无限期地传输电流而不会损失任何能量。这正是超导体所发生的情况。

“当你将一个系统冷却到极端温度时,电子进入量子态,它们的行为更像是一种无阻力流动的集体流体。”Manikandan说,“这是通过超导体中的电子实现的,这种电子在非常低的温度下形成电子对,称为库珀对(cooper pairs)。”

研究人员认为,如果温度足够低,所有金属都可以成为超导体,但每种金属都有一个不同的“临界温度”,在这个温度下,金属的阻力会消失。

“当你达到这个神奇的温度——这不是一个渐进的过程,而是一个突然的过程——突然间阻力就像岩石一样下降到零,然后就发生了相变。”Jordan说,“据我所知,一台实用的超导制冷机还没有被制造出来。”

与传统制冷机的相似之处

超导量子制冷机利用超导原理故障并产生超冷环境。然后,寒冷的环境有助于产生增强量子技术所需的量子效应。超导量子制冷机将创造一种环境,让研究人员可以将材料转变成超导状态——类似于将材料变为气体、液体或固体。

Jordan说,虽然超导量子制冷机不会用于人的厨房,但其工作原理与传统制冷机非常相似。“你的厨房制冷机与我们的超导冰箱的共同之处在于它使用相变来获得冷却能力。”

如果你走进厨房,站在制冷机旁边,你会发现里面很冷,但背面很暖和。传统制冷机的工作原理不是把制冷机里的东西变冷,而是把里面的热量移除。它通过在冷热储层之间移动一种液体(制冷剂),并将其状态从液态变为气态来实现。

“制冷机不会凭空制造冷空气。”Jordan说,“这是能量守恒定律。热量是一种能量,因此制冷机把热量从空间的一个区域吸收并将其带到另一个区域。”

在传统制冷机中,液态制冷剂通过膨胀阀。当液体膨胀时,其压力和温度随着其转变成气态而下降。现在冷的制冷剂通过冰箱内部的蒸发器线圈,吸收制冷机内的热量。然后通过由电力驱动的压缩机对其进行再压缩,进一步提高其温度和压力,并将其从气体转变为热液体。冷凝的热液体,比外部环境更热,流经制冷机外部的冷凝器线圈,向外界散发热量。然后液体重新进入膨胀阀,并重复循环。

超导制冷机类似于传统制冷机,它在冷热储层之间移动材料。然而,传统制冷机的制冷机是将液态变为气态,而超导制冷机则是将金属中的电子从成对的超导态变成未成对的正常态。

“我们正在做的事情和传统制冷机完全一样,只是使用了超导体。”Manikandan说。

超导量子制冷机的内部工作原理

在超导量子制冷机中,研究人员将一层一层的金属放入已经很冷的低温稀释冰箱中:

  • 堆叠的底层是一片超导体铌,它充当一个热储存器,类似于传统制冷机外部的环境
  • 中间层是超导体钽,它是一种工作物质,类似于传统制冷机中的制冷剂
  • 顶层是铜,这是一个冷储层,类似于传统制冷机的内部

当研究人员慢慢向铌施加电流时,它们会产生一个穿透中间钽层的磁场,导致其超导电子不成对,转变为正常态,并冷却下来。现在冷的钽层从现在热的铜层吸收热量。然后,研究人员慢慢关闭磁场,使钽中的电子配对并转变回超导状态,钽层的温度变得比铌层的温度更高。然后将过量的热量传递给铌层。循环重复,维持着顶部铜层的低温。

这类似于传统制冷机中的制冷剂,从冷循环膨胀为气体,热循环压缩为液体。但由于量子超导制冷机中的工作物质是一种超导体,“当你在非常低的温度下缓慢施加磁场时,库珀对不成对并进一步冷却,不是这种情况;而是将当前最先进的制冷机作为基线,并进一步冷却。”Manikandan说。

当你用厨房制冷机存放牛奶和蔬菜时,研究人员可能会在超导量子制冷机中放些什么呢?

“你用厨房制冷机来冷却食物,”Jordan说,“但这是一款超级冷的制冷机。”超导量子制冷机不是用来存储食物的,而是用于存储像量子比特等量子计算机的基本单元,通过将其放置在金属堆的顶部。研究人员还可以使用这个制冷机来冷却量子传感器。量子传感器可以非常有效地测量光,可用于研究恒星和其他星系,还可用于在核磁共振成像仪上开发更有效的深层组织成像。

“想想它的工作原理,这真是太神奇了。它基本上都是吸收能量,然后将其转化为一种相变的热量。”

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IBM副总谈量子计算

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