Geavanceerde koelingstechnologie zou kwantumcomputing nieuw leven kunnen inblazen en de kostbare voorbereidingstijd van belangrijke wetenschappelijke experimenten met weken kunnen verkorten.
Wetenschappers moeten vaak temperaturen genereren die dichtbij… Absolute nulpunt Voor onder meer kwantumcomputers en astronomie. Deze temperaturen staan bekend als de “grote kou”, omdat ze de meest gevoelige elektrische apparaten vrij houden van interferentie, zoals temperatuurveranderingen. De koelkasten die worden gebruikt om deze temperaturen te bereiken zijn echter erg duur en inefficiënt.
Wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) – een Amerikaanse overheidsinstantie – hebben echter een nieuw koelkastprototype gebouwd waarvan zij beweren dat het sneller en efficiënter aanzienlijke koeling kan bereiken.
De onderzoekers publiceerden details van hun nieuwe machine op 23 april in het tijdschrift Nature Communications. Ze beweerden dat het gebruik ervan jaarlijks 27 miljoen watt aan energie zou kunnen besparen en het mondiale energieverbruik met $30 miljoen zou kunnen verminderen.
Een nieuwe generatie koelkasten
Traditionele huishoudelijke koelkasten werken via een proces van verdamping en condensatie Levende wetenschappen. Het koelmiddel wordt door een speciale lagedrukbuis geperst, een zogenaamde ‘verdamperspiraal’.
Terwijl het verdampt, absorbeert het warmte om de binnenkant van de koelkast af te koelen en gaat het vervolgens door een compressor die het weer in een vloeistof verandert, waardoor de temperatuur stijgt terwijl het door de achterkant van de koelkast straalt.
Verwant: ‘Het zuiverste silicium ter wereld’ zou kunnen leiden tot 1 miljoen quantumcomputerchips
Om de gewenste temperaturen te bereiken, gebruiken wetenschappers al meer dan 40 jaar gepulseerde buiskoelkasten (PTR’s). PTR-apparaten gebruiken heliumgas in een soortgelijk proces, maar met betere warmteabsorptie en zonder bewegende delen.
Hoewel effectief, verbruikt het enorme hoeveelheden energie, is duur en tijdrovend in gebruik. NIST-onderzoekers ontdekten echter ook dat PTR-apparaten onnodig inefficiënt zijn en aanzienlijk verbeterd kunnen worden om de koeltijden te verkorten en de totale kosten te verlagen.
In de studie zeiden de wetenschappers dat PTR-apparaten “aan aanzienlijke tekortkomingen lijden”, zoals dat ze geoptimaliseerd zijn “voor prestaties alleen bij de kerntemperatuur” – doorgaans dichtbij de 4 Kelvin. Dit betekent dat de PTR’s tijdens het koelen op grotendeels inefficiënte niveaus werken, voegde ze eraan toe.
Het team ontdekte dat door het PTR-ontwerp tussen de compressor en de koelkast aan te passen, helium efficiënter werd gebruikt. Tijdens het afkoelen wordt een deel ervan meestal in een ontlastklep geperst in plaats van zoals bedoeld door het circuit te worden geduwd.
Kwantumcomputers voor een fractie van de kosten
Het voorgestelde herontwerp omvat een klep die leegloopt naarmate de temperatuur daalt om te voorkomen dat op deze manier helium wordt verspild. Als gevolg hiervan behaalde de aangepaste PTR van het NIST-team de Big Chill-score 1,7 tot 3,5 keer sneller, aldus de wetenschappers in hun artikel.
“In kleinere experimenten waarbij kwantumcircuits worden gemodelleerd, waarbij de koeltijden momenteel vergelijkbaar zijn met de karakteriseringstijden, kan dynamische akoestische optimalisatie de meetdoorvoer aanzienlijk verhogen”, schreven de onderzoekers.
De nieuwe methode zou minstens een week aan experimenten kunnen besparen bij het Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE) – een faciliteit in Italië die vroeger naar zeldzame gebeurtenissen zocht, zoals de huidige theoretische vorm van radioactief verval, aldus de onderzoekers in hun onderzoek. Om nauwkeurige resultaten uit deze faciliteiten te verkrijgen, moet er zo weinig mogelijk achtergrondgeluid worden bereikt.
Kwantumcomputers hebben een vergelijkbaar niveau van isolatie nodig. Ze gebruiken quantumbits, oftewel qubits. Traditionele computers slaan informatie op in bits, coderen gegevens met een waarde van 1 of 0 en voeren berekeningen sequentieel uit, maar qubits bezetten een superpositie van 1 en 0, dankzij de wetten van KwantummechanicaZe kunnen worden gebruikt om berekeningen parallel te verwerken. Qubits zijn echter ongelooflijk gevoelig en moeten worden gescheiden van zoveel mogelijk achtergrondgeluid, inclusief kleine schommelingen in thermische energie.
In theorie zouden in de nabije toekomst efficiëntere koelmethoden kunnen worden bereikt, wat zou kunnen leiden tot snellere innovatie in quantum computing, aldus de onderzoekers.
Het team zei ook dat hun technologie in plaats daarvan zou kunnen worden gebruikt om tegelijkertijd ultrakoude temperaturen te bereiken, maar tegen veel lagere kosten, wat ten goede zou kunnen komen aan de cryogene industrie en de kosten zou kunnen verlagen voor experimenten en industriële toepassingen die niet zo lang duren. Wetenschappers werken momenteel samen met een industriële partner om de verbeterde PTR commercieel uit te brengen.
“Bierliefhebber. Toegewijde popcultuurgeleerde. Koffieninja. Boze zombiefan. Organisator.”
More Stories
Volgens fossielen werd een prehistorische zeekoe opgegeten door een krokodil en een haai
Nieuw onderzoek naar een enorme stuwkrachtfout suggereert dat de volgende grote aardbeving op handen kan zijn
Identieke voetafdrukken van dinosaurussen ontdekt op twee continenten