La investigación realizada por un equipo del Centro de Investigación Técnica VTT de Finlandia podría allanar el camino para computadoras cuánticas más duraderas y de alto rendimiento. El equipo de investigación diseñó un dispositivo similar a un tubo de vacío que permite el enfriamiento de forma puramente electrónica: un posible camino para reducir diez veces los costos de enfriamiento de las computadoras cuánticas enfriadas por dilución. Durante sus experimentos, los investigadores descubrieron que su diseño permitía que las temperaturas bajaran hasta un 40%.
Estas computadoras cuánticas aprovechan principalmente los qubits transmon superconductores para realizar un trabajo computacional útil y han sido los qubits elegidos por empresas cuánticas como IBM, Google, Amazon y otras (pero no todas). Pero para que estos qubits superconductores funcionen, deben enfriarse a una temperatura cercana al cero absoluto del espacio (~1 Kelvin). La necesidad de mezclar diferentes isótopos de helio para lograr estas temperaturas de funcionamiento ideales añade niveles adicionales de complejidad.
Uno de los límites fundamentales de cualquier cálculo de alto nivel es la capacidad de refrigeración, es decir, la capacidad de eliminar el calor generado por el cálculo de los circuitos operativos. Esta limitación particular se ve en todas partes hoy en día: desde la dificultad de enfriar las CPU Zen 5 de 16 núcleos hasta los enormes trozos de ventiladores y metal que mantienen a nuestras GPU bombeando cuadros, el calor es uno de los problemas de ingeniería más difíciles en el mundo informático actual. y mañana.
Pero las computadoras cuánticas son incluso más sensibles que la electrónica tradicional: son más propensas a la interferencia externa y son más volubles en cuanto a los tipos de interferencia que pueden destruir sus estados de qubit útiles y funcionales. Por tanto, son esenciales nuevas técnicas que permitan una refrigeración más sencilla y eficaz. Aunque se han realizado algunos avances en nuevas técnicas de enfriamiento (como la técnica AirJet de Frore), todas funcionan esencialmente de la misma manera: repeliendo un fluido de transferencia de calor (como agua o aire) de la fuente de calor.
Pero los científicos finlandeses del VTT están tomando un camino completamente diferente: han desarrollado un dispositivo termoiónico que libera calor en forma de electrones (canalizar electrones requiere energía, razón por la cual los dispositivos termoiónicos que aprovechan el efecto Peltier generalmente introducen un consumo de energía adicional). Pero, sobre todo, este dispositivo permite llevar la refrigeración casi al extremo: los investigadores esperan poder enfriar la electrónica entre 1,5 K y 0,1 K, más que suficiente para servir como mecanismo de refrigeración fundamental para una temperatura "absoluta". cero". " informática. Y se espera que esta técnica sea mucho más pequeña, menos costosa y menos propensa a errores desde un punto de vista logístico y operativo en comparación con la refrigeración líquida.
"Nuestra tecnología podría ayudar a la industria a reducir el tamaño total del sistema de computación cuántica", dijo Mika Prunnila del Centro de Investigación Técnica VTT de Finlandia, Espoo.
Básicamente, el calor es causado por el movimiento rápido y las posteriores colisiones que liberan energía entre partículas elementales. La computación cuántica requiere temperaturas cercanas al cero absoluto por varias razones (en parte porque las uniones superconductoras sólo se vuelven superconductoras a esta temperatura, un reflejo de los materiales superconductores disponibles actualmente). En entornos con temperatura de cero absoluto, las partículas elementales se ralentizan extremadamente. Debido a que se mueven más lentamente, hay menos colisiones, lo que genera menos calor y un estado computacional más resistente, que también es mucho más fácil de observar y extraer información útil. Una cosa es tratar de identificar a tu abuelo cuando cambia a un auto de Fórmula 1, pero es mucho más fácil contar los pelos de tu cabeza cuando reemplazas el auto de F1 por un tractor lento.
Sin embargo, un problema con los refrigeradores termoiónicos es que la actividad electrónica no es la única fuente de calor fundamental. Otras partículas, semipartículas y cuasipartículas también interactúan entre sí; y no es raro que el enfriamiento logrado por la excreción de electrones se pierda debido a la "retroalimentación" de otras partículas (en este caso, fonones), que interactúan (chocan) con partículas del material previamente enfriado y lo recalientan. nuevamente, en un proceso conocido como “retrodispersión”. Es importante destacar que el dispositivo termoiónico de los investigadores es capaz de dirigir electrones y evitar que los fonones de retorno interactúen con (y calienten) la superficie previamente enfriada.
El dispositivo termoiónico de los investigadores funciona canalizando el calor a través de diferentes medios en sus puntos de unión (donde los materiales interactúan entre sí). En este caso, el calor se extrae del medio superconductor al medio semiconductor, alejando el calor de los bits más sensibles (los que queremos cerca del cero absoluto) hacia los menos sensibles. De esta manera se puede maximizar el efecto refrescante.
Esta tecnología aún se encuentra en sus primeras etapas, pero para que las computadoras cuánticas y las clásicas sigan desarrollándose a un ritmo útil, son necesarios avances fundamentales en la gestión del calor. Quizás el dispositivo termoiónico de los investigadores finlandeses sea la respuesta, o quizás no. Como mínimo, elimina algunas incógnitas anteriores y ofrece soluciones de refrigeración más pequeñas y de mayor rendimiento.
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