미국 국립표준연구소(National Institute of Standards) 연구진은 연구와 산업 모두에서 일반적으로 사용되는 냉장고를 개조하여 Technology (NIST)는 절대 영도보다 몇도 이내로 재료를 냉각하는 데 필요한 시간과 에너지를 대폭 줄였습니다.
과학자들은 현재 산업 파트너와 함께 상용화를 위해 노력하고 있는 프로토타입 장치가 연간 약 27만 와트의 전력, 30만 달러의 전 세계 전력 소비량을 절약하고 올림픽 수영장 5,000개를 채울 만큼 충분한 냉각수를 절약할 수 있다고 말합니다.
큐비트(양자 컴퓨터의 기본 정보 단위) 안정화부터 물질의 초전도 특성 유지, NASA의 제임스 웹 우주 망원경을 하늘을 관찰할 수 있을 만큼 시원하게 유지하는 것까지 초저온 냉동은 많은 장치와 센서의 작동에 필수적입니다. 수십 년 동안 펄스관 냉장고(PTR)는 우주 공간의 진공만큼 차가운 온도를 달성하기 위한 주력 장치였습니다.
이러한 냉장고는 고압 헬륨 가스를 주기적으로 압축(가열) 및 팽창(냉각)하여 "Big Chill"을 달성합니다. 이는 가정용 냉장고가 프레온을 액체에서 증기로 변환하여 열을 제거하는 방식과 대체로 유사합니다. 40년 이상 동안 PTR은 신뢰성을 입증해 왔지만 전력 소모가 많아 초저온 실험의 다른 어떤 구성 요소보다 더 많은 전력을 소비합니다.
NIST 연구원 Ryan Snodgrass와 그의 동료들은 냉장고를 자세히 조사한 결과 제조업체가 최종 작동 온도인 4켈빈(K), 즉 절대 영도보다 4도 높은 온도에서만 에너지 효율적으로 장치를 제작했다는 사실을 발견했습니다. 연구팀은 이러한 냉장고가 고온에서는 극도로 비효율적이라는 사실을 발견했습니다. 이는 냉각 과정이 실온에서 시작되기 때문에 큰 문제입니다.
일련의 실험에서 Snodgrass는 NIST 과학자 Joel Ullom, Vincent Kotsubo 및 Scott Backhaus와 함께 실온에서 헬륨 가스가 너무 높은 압력을 받아 일부가 사용되지 않고 릴리프 밸브를 통해 분류된다는 사실을 발견했습니다. 냉각용. 압축기와 냉장고 사이의 기계적 연결을 변경함으로써 팀은 헬륨이 낭비되지 않도록 하여 냉장고의 효율성을 크게 향상시켰습니다.
특히 연구진은 압축기에서 냉장고로 흐르는 헬륨가스의 양을 조절하는 일련의 밸브를 지속적으로 조정했다. 과학자들은 실온에서 밸브가 더 크게 열리도록 허용한 다음 냉각이 진행됨에 따라 점차적으로 밸브를 닫으면 냉각 시간을 현재의 1/2에서 1/4 사이로 줄일 수 있다는 것을 발견했습니다.
현재 과학자들은 새로운 양자 회로가 테스트할 수 있을 만큼 차가워질 때까지 하루 이상 기다려야 합니다. 과학 연구의 진행은 극저온에 도달하는 데 걸리는 시간에 따라 제한될 수 있으므로 이 기술이 제공하는 더 빠른 냉각은 양자 컴퓨팅 및 기타 양자 연구 분야를 포함한 많은 분야에 광범위하게 영향을 미칠 수 있습니다.
NIST 팀이 개발한 기술을 통해 과학자들은 대형 펄스 튜브 냉장고를 지원 인프라가 덜 필요한 훨씬 작은 냉장고로 교체할 수 있다고 Snodgrass는 말했습니다.
극저온 기술에 대한 의존도와 함께 양자 컴퓨팅에 대한 연구가 계속 증가함에 따라 이러한 냉장고에 대한 필요성은 크게 확대될 것입니다. 그러면 수정된 PTR은 훨씬 더 많은 비용, 전기 에너지 및 냉각수를 절약하게 됩니다. 급성장하는 양자 경제를 지원하는 것 외에도, 이 장치는 과학자들이 더 이상 큐비트 및 기타 양자 구성 요소가 냉각될 때까지 며칠 또는 몇 주를 기다릴 필요가 없기 때문에 연구를 가속화할 것입니다.
논문은 저널에 게재됩니다. 자연 통신.