โดยการปรับเปลี่ยนตู้เย็นที่ใช้กันทั่วไปทั้งในด้านการวิจัยและอุตสาหกรรม โดยนักวิจัยจากสถาบันมาตรฐานแห่งชาติและ เทคโนโลยี (NIST) ลดเวลาและพลังงานที่ต้องใช้ในการทำให้วัสดุเย็นลงลงอย่างมากจนอยู่เหนือศูนย์สัมบูรณ์เพียงไม่กี่องศา
นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าอุปกรณ์ต้นแบบของพวกเขา ซึ่งขณะนี้พวกเขากำลังดำเนินการเชิงพาณิชย์ร่วมกับพันธมิตรทางอุตสาหกรรม สามารถประหยัดพลังงานได้ประมาณ 27 ล้านวัตต์ต่อปี ปริมาณการใช้ไฟฟ้าทั่วโลก 30 ล้านเหรียญสหรัฐ และน้ำหล่อเย็นที่เพียงพอที่จะเติมสระว่ายน้ำโอลิมปิก 5,000 สระ
ตั้งแต่การรักษาเสถียรภาพคิวบิต (หน่วยพื้นฐานของข้อมูลในคอมพิวเตอร์ควอนตัม) ไปจนถึงการรักษาคุณสมบัติของตัวนำยิ่งยวดของวัสดุ และการรักษากล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ ของ NASA ให้เย็นพอที่จะสังเกตท้องฟ้าได้ การทำความเย็นแบบเย็นพิเศษถือเป็นสิ่งสำคัญต่อการทำงานของอุปกรณ์และเซ็นเซอร์จำนวนมาก เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่ตู้เย็นแบบหลอดพัลส์ (PTR) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการทำให้อุณหภูมิเย็นพอๆ กับสุญญากาศในอวกาศ
ตู้เย็นเหล่านี้จะบีบอัด (ความร้อน) และขยาย (เย็น) ก๊าซฮีเลียมแรงดันสูงแบบเป็นรอบเพื่อให้ได้ "Big Chill" ซึ่งคล้ายคลึงกับวิธีที่ตู้เย็นในครัวเรือนใช้การเปลี่ยนฟรีออนจากของเหลวเป็นไอเพื่อขจัดความร้อน เป็นเวลากว่า 40 ปีแล้วที่ PTR ได้พิสูจน์ความน่าเชื่อถือแล้ว แต่ก็ใช้พลังงานมากเช่นกัน และใช้พลังงานไฟฟ้ามากกว่าส่วนประกอบอื่นๆ ของการทดลองที่อุณหภูมิต่ำมาก
เมื่อนักวิจัยของ NIST Ryan Snodgrass และเพื่อนร่วมงานของเขาตรวจดูตู้เย็นอย่างใกล้ชิด พวกเขาพบว่าผู้ผลิตได้สร้างอุปกรณ์ให้ประหยัดพลังงานเฉพาะที่อุณหภูมิการทำงานสุดท้ายที่ 4 เคลวิน (K) หรือสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์ 4 องศาเท่านั้น ทีมงานพบว่าตู้เย็นเหล่านี้ไม่มีประสิทธิภาพอย่างยิ่งที่อุณหภูมิสูงกว่า ซึ่งเป็นปัญหาใหญ่เนื่องจากกระบวนการคูลดาวน์เริ่มต้นที่อุณหภูมิห้อง
ในระหว่างการทดลองหลายครั้ง Snodgrass พร้อมด้วยนักวิทยาศาสตร์ของ NIST Joel Ullom, Vincent Kotsubo และ Scott Backhaus ค้นพบว่าที่อุณหภูมิห้อง ก๊าซฮีเลียมอยู่ภายใต้ความดันสูงจนบางส่วนถูกสับผ่านวาล์วระบายแทนที่จะถูกนำมาใช้ เพื่อความเย็น ด้วยการเปลี่ยนการเชื่อมต่อทางกลระหว่างคอมเพรสเซอร์และตู้เย็น ทีมงานจึงมั่นใจได้ว่าจะไม่เสียฮีเลียมไปเปล่าๆ ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของตู้เย็นได้อย่างมาก
โดยเฉพาะอย่างยิ่ง นักวิจัยได้ปรับเปลี่ยนชุดวาล์วที่ควบคุมปริมาณก๊าซฮีเลียมที่ไหลจากคอมเพรสเซอร์ไปยังตู้เย็นอย่างต่อเนื่อง นักวิทยาศาสตร์พบว่าหากพวกเขาปล่อยให้วาล์วเปิดกว้างขึ้นที่อุณหภูมิห้อง แล้วค่อยๆ ปิดวาล์วในขณะที่กระบวนการทำความเย็นดำเนินไป พวกเขาสามารถลดเวลาคูลดาวน์ลงเหลือระหว่างครึ่งหนึ่งถึงหนึ่งในสี่ของเวลาที่เป็นอยู่ตอนนี้
ปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์ต้องรอหนึ่งวันหรือมากกว่านั้นเพื่อให้วงจรควอนตัมใหม่เย็นพอที่จะทดสอบได้ เนื่องจากความก้าวหน้าของการวิจัยทางวิทยาศาสตร์อาจถูกจำกัดด้วยเวลาที่ใช้ในการไปถึงอุณหภูมิที่เย็นจัด ดังนั้นคูลดาวน์ที่เร็วขึ้นจากเทคโนโลยีนี้อาจส่งผลกระทบในวงกว้างในหลายๆ สาขา รวมถึงการประมวลผลควอนตัม และการวิจัยควอนตัมด้านอื่นๆ
เทคโนโลยีที่พัฒนาโดยทีมงาน NIST ยังช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเปลี่ยนตู้เย็นแบบหลอดพัลส์ขนาดใหญ่ด้วยตู้เย็นที่มีขนาดเล็กกว่ามากได้ ซึ่งต้องใช้โครงสร้างพื้นฐานที่รองรับน้อยกว่า Snodgrass กล่าว
ความต้องการตู้เย็นเหล่านี้จะขยายตัวอย่างมากเนื่องจากการวิจัยเกี่ยวกับคอมพิวเตอร์ควอนตัม ควบคู่ไปกับการพึ่งพาเทคโนโลยีไครโอเจนิกยังคงเติบโตอย่างต่อเนื่อง PTR ที่ปรับเปลี่ยนจะช่วยประหยัดเงิน พลังงานไฟฟ้า และน้ำหล่อเย็นได้มากขึ้น นอกเหนือจากการสนับสนุนเศรษฐกิจควอนตัมที่กำลังขยายตัวแล้ว อุปกรณ์ดังกล่าวยังช่วยเร่งการวิจัยด้วย เนื่องจากนักวิทยาศาสตร์ไม่ต้องรอเป็นเวลาหลายวันหรือหลายสัปดาห์เพื่อให้คิวบิตและส่วนประกอบควอนตัมอื่นๆ เย็นตัวลง
บทความนี้ตีพิมพ์ในวารสาร การสื่อสารธรรมชาติ.