Около полувека для охлаждения до сверхнизких температур используется так называемый охладитель на пульсирующих трубках. Как установили учёные из США, его можно легко модернизировать, чтобы получить огромную экономию на охлаждении. В мировых объёмах ежегодная экономия составит $30 млн, 27 МВт электричества и воды на 5000 олимпийских бассейнов. Всё, что для этого нужно, — это поставить в систему охлаждения один регулирующий вентиль.

Источник изображения: newatlas.com

Как рассказали в своей работе исследователи из Национального института стандартов и технологий США (NIST), опубликованной в журнале Nature Communications, классическая холодильная установка на пульсирующих трубках в самом начале процесса охлаждения при комнатной температуре работает крайне неэффективно. На этом этапе гелий в системе находится в газообразном состоянии под очень высоким давлением. Система предохранительного сброса давления постоянно стравливает газ до его серьёзного охлаждения, что ведёт к потерям газа и перерасходу ресурсов на его охлаждение.

Схема модернизированной установки. Источник изображения: NIST

Чтобы избежать этого, учёные предложили ввести в систему регулируемую заслонку, которая постепенно перекрывала бы канал циркуляции газа. В таком случае охлаждение можно было бы ускорить до двух раз со значительной экономией ресурсов и времени. Расчёты показывают, что для охлаждения до температуры вблизи абсолютного нуля (до 4 K или -269 °C) модернизированной установке потребуется на 71 % меньше энергии, чем классической.

Чем быстрее модернизированные установки начнут появляться в промышленности, медицине и научных учреждениях, тем скорее и мощнее будет отдача от экономии. Сегодня криогенное охлаждение необходимо для работы сканеров МРТ, ускорителей, квантовых платформ и во многих других областях. Простая модернизация охлаждающих установок способна изменить правила игры во всех этих сферах, уверены учёные.

Для многих перспективных технологий и открытий необходимы переохлаждённые среды. Традиционно для этого используется жидкий гелий и его изотопы. Международная группа учёных во главе с китайскими исследователями нашла потенциальную замену гелию, который Китай вынужден импортировать на 94 %. Этой заменой может стать ещё неисследованная ранее разновидность сверхтекучего твёрдого тела на основе кобальта.

ИИ-генерация «сверхтекучее твёрдое тело». Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Сверхтекучие твёрдые тела (supersolid) ещё никто не пытался использовать в качестве рабочего тела криогенной установки. Учёные обнаружили, что изучаемый ими «квантовый магнитный» материал на основе кобальта оказался способным понижать температуры до уровня ниже 1 К. Но следует сделать оговорку, это стало возможным только после охлаждения экспериментальной системы до 4 К. Тем самым совсем от охлаждения гелием отказаться нельзя, но повысить эффективность рефрижераторов можно. Это тем более важно, что самыми сложными являются последние этапы при достижении областей вблизи абсолютного нуля.

Изучением свойств сверхтекучих твёрдых тел для целей охлаждения занимались учёные из специализированной лаборатории Китайской академии наук, Школы физики Бэйханского университета и Центра нейтронных наук Института Лауэ-Ланжевена во Франции.

«Это исследование показывает, что теоретически мы можем достигать чрезвычайно низких температур, не полагаясь на гелий», — говорят авторы работы, которая недавно была опубликована в ведущем научном журнале Nature.

Китай оказался зависим не только от гелия и его изотопов. Под санкции также попали поставки в Китай таких криогенных установок, как рефрижераторы растворения. Понемногу в Китае учатся сами производить такие системы. Например, осенью прошлого о разработке собственной версии рефрижератора растворения заявила компания Origin Quantum, о которой мы недавно писали в связи с выделением в облачный доступ 72-кубитового квантового компьютера Wukong. Но для работы этой установки нужны изотопы гелий-3 и гелий-4, что снова возвращает к зависимости Китая от гелия. Поэтому можно не сомневаться, что если тема охлаждения с помощью сверхтекучих твёрдых тел будет иметь отчётливую перспективу, то она будет разработана по максимуму.

Популярные среди разработчиков квантовых компьютеров сверхпроводящие кубиты имеют один отчётливый недостаток — криогенные системы плохо масштабируются. Управляющая кубитами электроника в виде обычных цифровых контроллеров не может работать при сильном охлаждении и её надо держать отдельно от кубитов, что делает решение крайне сложным и громоздким. Компания из США смогла создать низкотемпературные контроллеры и это может иметь последствия.

Источник изображения: SEEQC

О разработке сообщил стартап SEEQC (Superconducting Energy Efficient Quantum Computing). Но не стоит удивляться. Хотя компания SEEQC образована в 2017 году, её корни лежат в корпорации HYPRES, созданной в далёком 1983 году для решения задач в области сверхпроводимости по заказам правительства США. На основе интеллектуального багажа предшественников специалисты SEEQC начали развивать направление квантовых компьютеров, и определённые успехи на этом пути уже достигнуты.

Компания SEEQC представила чипы Single Flux Quantum (SFQ). Утверждается, что SFQ способны выполнять все основные функции контроллера кубитов квантового компьютера при той же криогенной температуре, что и сами кубиты, а это порядка 20 мК. Это означает, что контроллер может работать рядом с кубитами в той же криогенной камере. Это многократно упрощает архитектуру квантовых систем, которые сегодня выглядят как огромные шкафы выше человеческого роста.

Разработчики SEEQC намерены продвигать гибридные компьютеры — сочетание квантовых и классических платформ, что требует создание электроники, выдерживающей сверхнизкие температуры. Это также означает, что одними контроллерами дело не обойдётся. Необходимы криогенные схемы, оцифровывающие обычно волновые данные, считанные с кубитов. И SEEQC разрабатывает такую логику, хотя говорит, что она не опирается на транзисторы.

Подробностей на этот счёт нет, но можно предположить, что в роли «криогенного транзистора» компания использует переход на эффекте Джозефсона. Суть эффекта в том, что в определённых условиях диэлектрик между двумя сверхпроводниками может начать пропускать ток. Ранее SEEQC была замечена в экспериментах с такими элементами. В частности, разрабатывала криогенную память на джозефсоновских переходах для квантовых и обычных компьютеров.

Если верить компании, чипы SFQ обмениваются данными по беспроводной связи и совместимы со всеми типами сверхпроводящих кубитов и даже со спиновыми кубитами. Для упрощения архитектуры решение использует мультиплексирование. Так, испытано решение для управления 8 кубитами с помощью 2 проводов. Версия для управления 64 кубитами отправлена в производство и вскоре будет доступна для всестороннего тестирования.

Добавим, по такому же пути идёт компания Intel. Она разрабатывает семейство криогенных контроллеров Horse Ridge для управления сверхпроводящими и спиновыми кубитами. Пока Intel не может похвастаться работой контроллеров при температуре, близкой к абсолютному нулю. Контроллеры Intel работают при температуре 4K и не могут располагаться рядом с кубитами. Но у этой технологии есть другой несомненный плюс — контролеры Horse Ridge выпускаются на обычных кремниевых транзисторах и с ними намного привычнее и проще работать.

Впрочем, курс тот же — создать электронную обвязку для кубитов, которая располагалась бы в той же криогенной среде, что и носители квантовой информации. Это существенно сократит время до появления достаточно мощного квантового компьютера, который будет иметь практический успех.