על ידי שינוי מקרר הנפוץ הן במחקר והן בתעשייה, חוקרים במכון הלאומי לתקנים טכנולוגיה (NIST) צמצמו באופן דרסטי את הזמן והאנרגיה הדרושים לקירור חומרים עד כמה מעלות מעל האפס המוחלט.
המדענים אומרים שמכשיר אב הטיפוס שלהם, שהם עובדים כעת על מסחור עם שותף תעשייתי, יכול לחסוך מדי שנה כ-27 מיליון וואט של כוח, 30 מיליון דולר בצריכת חשמל עולמית, ומספיק מי קירור למילוי 5,000 בריכות שחייה אולימפיות.
החל מקיוביטים מייצבים (יחידת המידע הבסיסית במחשב קוונטי) ועד לשמירה על תכונות מוליכות-על של חומרים ושמירה על קריר מספיק של טלסקופ החלל ג'יימס ווב של נאס"א כדי לצפות בשמיים, קירור אולטרה-קר חיוני לפעולתם של מכשירים וחיישנים רבים. במשך עשרות שנים, מקרר הצינורות הדופק (PTR) היה מכשיר סוס העבודה להשגת טמפרטורות קרות כמו הוואקום של החלל החיצון.
מקררים אלו דוחסים באופן מחזורי (מחממים) ומרחיבים (מקררים) גז הליום בלחץ גבוה כדי להשיג את "הצינה הגדולה", בדומה לאופן שבו מקרר ביתי משתמש בהפיכת פריאון מנוזל לאדים כדי להסיר חום. במשך יותר מ-40 שנה, ה-PTR הוכיח את אמינותו, אך הוא גם זולל חשמל, צורך יותר חשמל מכל רכיב אחר של ניסוי בטמפרטורה נמוכה במיוחד.
כאשר חוקר NIST Ryan Snodgrass ועמיתיו בחנו מקרוב את המקרר, הם גילו שיצרנים בנו את המכשיר להיות יעיל באנרגיה רק בטמפרטורת הפעולה הסופית שלו של 4 קלווין (K), או 4 מעלות מעל האפס המוחלט. הצוות מצא שמקררים אלה אינם יעילים ביותר בטמפרטורות גבוהות יותר - בעיה גדולה מכיוון שתהליך הקירור מתחיל בטמפרטורת החדר.
במהלך סדרת ניסויים, Snodgrass, יחד עם מדעני ה-NIST ג'ואל אולום, וינסנט קוצובו וסקוט בקהאוז, גילו שבטמפרטורת החדר, גז ההליום היה בלחץ כה גבוה עד שחלק ממנו הועבר דרך שסתום הקלה במקום להשתמש בו. לקירור. על ידי שינוי החיבורים המכניים בין המדחס למקרר, הצוות הבטיח שאף אחד מההליום לא יתבזבז, ובכך שיפר מאוד את יעילות המקרר.
במיוחד, החוקרים התאימו ללא הרף סדרה של שסתומים השולטים בכמות גז ההליום שזורמת מהמדחס למקרר. המדענים גילו שאם יאפשרו לשסתומים לקבל פתח גדול יותר בטמפרטורת החדר ואז יסגרו אותם בהדרגה ככל שהקירור יתקדם, הם יכולים להפחית את זמן ההתקררות לחצי לרבע ממה שהוא עכשיו.
נכון לעכשיו, מדענים צריכים לחכות יום או יותר עד שמעגלים קוונטיים חדשים יהיו קרים מספיק כדי לבדוק. מכיוון שניתן להגביל את ההתקדמות של המחקר המדעי על ידי הזמן שלוקח להגיע לטמפרטורות קריוגניות, ההתקררות המהירה יותר שמספקת טכנולוגיה זו עשויה להשפיע באופן נרחב על תחומים רבים, כולל מחשוב קוונטי ותחומים אחרים של מחקר קוונטי.
הטכנולוגיה שפותחה על ידי צוות NIST יכולה גם לאפשר למדענים להחליף מקררי צינורות דופק גדולים בקטנים בהרבה, הדורשים פחות תשתית תומכת, אמר סנודגראס.
הצורך במקררים אלו יתרחב מאוד ככל שהמחקר על מחשוב קוונטי, יחד עם הסתמכותו על טכנולוגיה קריוגנית, ימשיך לגדול. ה-PTR המותאם אז יחסוך הרבה יותר כסף, אנרגיה חשמלית ומי קירור. בנוסף לתמיכה בכלכלה קוונטית מתפתחת, המכשיר גם יזרז את המחקר מכיוון שמדענים לא יצטרכו עוד להמתין ימים או שבועות עד שהקיוביטים ורכיבים קוונטיים אחרים יתקררו.
המאמר מתפרסם בכתב העת תקשורת טבע.