Si bien muchos equipos de investigación en todo el mundo están tratando de desarrollar computadoras cuánticas de alto rendimiento, algunos están trabajando en herramientas para controlar el flujo de calor dentro de ellos. Al igual que las computadoras convencionales, De hecho, Las computadoras cuánticas pueden calentarse significativamente mientras están en funcionamiento. lo que, en última instancia, puede dañar tanto los dispositivos como su entorno.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Grenoble Alpes en Francia y el Centro de Excelencia de Tecnología Cuántica en Finlandia ha desarrollado recientemente una válvula de calor de un solo punto cuántico, un dispositivo que puede ayudar a controlar el flujo de calor en uniones de un solo punto cuántico. Esta válvula de calor, presentado en un artículo publicado en Cartas de revisión física , podría ayudar a evitar el sobrecalentamiento de las computadoras cuánticas.

"Con la miniaturización de los componentes electrónicos, el manejo del exceso de calor a nanoescala se ha convertido en un tema cada vez más importante que debe abordarse, "Nicola Lo Gullo, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Esto es especialmente cierto cuando se quiere preservar la naturaleza cuántica de un dispositivo; el aumento de temperatura normalmente resulta en la degradación de las propiedades cuánticas. La reciente realización de una válvula de calor fotónica por otro grupo de investigación finalmente nos inspiró a crear una válvula de calor basada en un punto cuántico de estado sólido ".

Uno de los objetivos clave del reciente estudio realizado por Lo Gullo y sus colegas fue demostrar la viabilidad de controlar la cantidad de calor que fluye a través de una unión de puntos cuánticos. al mismo tiempo que permite el flujo de una cantidad determinada de corriente eléctrica. Para diseñar su válvula de calor de punto cuántico único, los investigadores colocaron una nanopartícula de oro entre dos contactos metálicos, usándolo como un empalme. Esta nanopartícula es tan pequeña que se puede utilizar para intervenir en un solo nivel de energía, actuando como lo haría un átomo artificial más grande con varios niveles de energía accesibles.

"Al ajustar correctamente los parámetros externos, es posible permitir que los electrones en uno de los contactos fluyan a través de solo uno de los niveles de este átomo artificial y alcancen el otro contacto, Lo Gullo explicó:"El punto cuántico de un solo nivel actúa como un puente entre los dos contactos metálicos".

En circunstancias normales, el intercambio de energía solo es posible cuando el nivel de energía de un punto cuántico está en resonancia con la energía de los electrones en los contactos. En el dispositivo desarrollado por Lo Gullo y sus colegas, sin embargo, la presencia de los contactos cambia las propiedades del átomo artificial, ampliando sus niveles de energía.

"Este efecto está en el corazón del efecto de válvula de calor que hemos estudiado, ", Agregó Lo Gullo." La ampliación equivale a la creación de estados virtuales, que no son clásicamente accesibles y permiten que los electrones fluyan de un contacto a otro, transportando energía y dando lugar al efecto de válvula de calor que informamos ".

En conductores más grandes (macroscópicos), Los investigadores han identificado una relación simple y universal entre su capacidad para conducir cargas eléctricas y su capacidad para conducir calor. Esta relación está delineada por un constructo teórico conocido como la ley de Wiedemann-Franz.

En dispositivos cuánticos como el desarrollado por Lo Gullo y sus colegas, sin embargo, las cosas no son tan sencillas. Esto se debe a la cuantificación de carga y energía, lo que conduce a desviaciones de la ley de Wiedemann-Franz.

"Usando la imagen mecánica cuántica más básica (llamada semiclásica), uno esperaría que una unión de puntos cuánticos no condujera calor en absoluto, "Clemens Winkelmann, otro investigador involucrado en el estudio, dijo Phys.org. "Nuestras medidas, sin embargo, demuestre que esto no es cierto, y la explicación teórica está relacionada con las fluctuaciones cuánticas, exactamente como en el principio de incertidumbre de Heisenberg, que restauran en parte la energía y por lo tanto el flujo de calor ".

Cuando estaban desarrollando su dispositivo, los investigadores tuvieron que superar una serie de desafíos técnicos. Por ejemplo, tenían que identificar una estrategia para medir la temperatura (y las diferencias de temperatura) localmente dentro de un dispositivo cuántico. Por último, Uno de los mayores logros de su estudio es que pudieron recopilar estas medidas y así obtener una mejor comprensión de cómo se gestiona el calor dentro de los dispositivos cuánticos.

"Los dispositivos electrónicos producen disipación cuando tratan información, y esto conduce a los conocidos problemas de sobrecalentamiento observados en los procesadores clásicos, que también ocurren en el mundo cuántico, ", Dijo Winkelmann." El sobrecalentamiento puede perturbar el funcionamiento lógico del dispositivo, conduciendo a errores. Nuestro trabajo proporciona una mejor comprensión de cómo se genera y se puede drenar el calor en un dispositivo de este tipo ".

Al introducir una estrategia para lograr el control del calor que fluye a través de las uniones más pequeñas en los dispositivos cuánticos, el reciente artículo de Lo Gullo, Winkelmann y sus colegas podrían abrir nuevas e interesantes posibilidades relacionadas con un campo de estudio emergente conocido como termotrónica de estado sólido. La investigación en termotrónica de estado sólido investiga la posibilidad de controlar los flujos de calor a través de gradientes de temperatura de manera similar a como se controlan las corrientes y voltajes eléctricos en los dispositivos existentes.

"La termotrónica de estado sólido es un campo relativamente nuevo, pero se ha logrado un progreso importante, como la realización de válvulas de calor, diodos y transistores térmicos, recolectores de energía e incluso las propuestas de puertas lógicas térmicas, Lo Gullo dijo:"Proporcionamos otro ejemplo más de la viabilidad de controlar y medir las corrientes de calor y las temperaturas en dispositivos de estado sólido".

En el futuro, la válvula de calor desarrollada por este equipo de investigadores podría mejorar la confiabilidad y seguridad de los dispositivos cuánticos, reduciendo el riesgo de sobrecalentamiento. En sus próximos estudios, A Lo Gullo y Winkelmann les gustaría idear estrategias para medir la disipación a lo largo del tiempo. En otras palabras, en lugar de centrarse en el calentamiento de estado estable de un dispositivo cuántico, planean examinar soltero, procesos elementales de disipación cuántica, como el túnel de un solo electrón o un solo deslizamiento 2π de la fase mecánica cuántica.

"Hay muchas direcciones posibles para futuras investigaciones, Lo Gullo agregó. “Actualmente estamos analizando uniones con una estructura más compleja para ver si ofrecen algunas ventajas en términos de rango de operabilidad. Otra posibilidad atractiva es lograr un control resuelto en el tiempo sobre el flujo de calor, permitiendo así operaciones en tiempo real en vista de aplicaciones a termotrónica ".

© 2021 Science X Network