Fortschrittliche Kühltechnologie könnte dazu beitragen, Quantencomputer wiederzubeleben und die kostspielige Vorbereitungszeit wichtiger wissenschaftlicher Experimente um Wochen zu verkürzen.
Wissenschaftler müssen oft Temperaturen nahe … erzeugen. Absoluter Nullpunkt Unter anderem für Quantencomputer und Astronomie. Diese Temperaturen werden als „große Kälte“ bezeichnet, da sie die empfindlichsten Elektrogeräte von Störungen – etwa Temperaturschwankungen – freihalten. Allerdings sind die zur Erreichung dieser Temperaturen eingesetzten Kühlschränke sehr teuer und ineffizient.
Wissenschaftler des National Institute of Standards and Technology (NIST) – einer US-Regierungsbehörde – haben jedoch einen neuen Kühlschrank-Prototyp gebaut, der ihrer Meinung nach deutlich schneller und effizienter kühlen kann.
Einzelheiten zu ihrer neuen Maschine veröffentlichten die Forscher am 23. April in der Fachzeitschrift Nature Communications. Sie behaupteten, dass durch seinen Einsatz jährlich 27 Millionen Watt Energie eingespart und der weltweite Energieverbrauch um 30 Millionen US-Dollar gesenkt werden könnten.
Eine neue Generation von Kühlschränken
Herkömmliche Haushaltskühlschränke funktionieren durch einen Prozess der Verdunstung und Kondensation Live-Wissenschaften. Das Kältemittel wird durch ein spezielles Niederdruckrohr, eine sogenannte „Verdampferschlange“, gedrückt.
Während es verdunstet, nimmt es Wärme auf, um das Innere des Kühlschranks zu kühlen, und strömt dann durch einen Kompressor, der es wieder in eine Flüssigkeit umwandelt und seine Temperatur erhöht, während es durch die Rückseite des Kühlschranks abstrahlt.
Verwandt: „Das reinste Silizium der Welt“ könnte zu einer Million Quantencomputerchips führen
Um die gewünschten Temperaturen zu erreichen, nutzen Wissenschaftler seit mehr als 40 Jahren Pulsed Tube Refrigerations (PTRs). PTR-Geräte verwenden Heliumgas in einem ähnlichen Verfahren, jedoch mit besserer Wärmeabsorption und ohne bewegliche Teile.
Obwohl es effektiv ist, verbraucht es große Mengen an Energie, ist teuer und zeitaufwändig in der Bedienung. NIST-Forscher entdeckten jedoch auch, dass PTR-Geräte unnötig ineffizient sind und erheblich verbessert werden könnten, um die Abkühlzeiten zu verkürzen und die Gesamtkosten zu senken.
In der Studie sagten die Wissenschaftler, dass PTR-Geräte „unter erheblichen Mängeln leiden“, wie zum Beispiel, dass sie „nur für die Leistung bei der Kerntemperatur“ – typischerweise nahe 4 Kelvin – optimiert sind. Dies bedeute, dass die PTRs während der Kühlung weitgehend ineffizient arbeiteten, fügten sie hinzu.
Das Team stellte fest, dass durch die Änderung des PTR-Designs zwischen Kompressor und Kühlschrank Helium effizienter genutzt werden konnte. Beim Abkühlen wird ein Teil davon normalerweise in ein Überdruckventil gedrückt, anstatt wie vorgesehen im Kreislauf verteilt zu werden.
Quantencomputing zu einem Bruchteil der Kosten
Die vorgeschlagene Neukonstruktion umfasst ein Ventil, das sich bei sinkender Temperatur entleert, um zu verhindern, dass auf diese Weise Helium verschwendet wird. Dadurch erreichte der modifizierte PTR des NIST-Teams den Big Chill-Score 1,7 bis 3,5 Mal schneller, sagten die Wissenschaftler in ihrer Arbeit.
„In kleineren Experimenten zur Modellierung von Quantenschaltkreisen, bei denen die Abkühlzeiten derzeit mit den Charakterisierungszeiten vergleichbar sind, kann eine dynamische akustische Optimierung den Messdurchsatz erheblich steigern“, schreiben die Forscher.
Die neue Methode könnte mindestens eine Woche Experimente am Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE) einsparen – einer Einrichtung in Italien, die früher nach seltenen Ereignissen wie der aktuellen theoretischen Form des radioaktiven Zerfalls suchte, sagten die Forscher in ihrer Studie. Um mit diesen Anlagen genaue Ergebnisse zu erhalten, müssen möglichst geringe Hintergrundgeräusche erreicht werden.
Quantencomputer benötigen ein ähnliches Maß an Isolation. Sie verwenden Quantenbits oder Qubits. Herkömmliche Computer speichern Informationen in Bits, kodieren Daten mit einem Wert von entweder 1 oder 0 und führen Berechnungen nacheinander durch, aber Qubits besetzen dank der Gesetze von eine Überlagerung von 1 und 0 QuantenmechanikMit ihnen können Berechnungen parallel abgearbeitet werden. Allerdings sind Qubits unglaublich empfindlich und müssen von möglichst viel Hintergrundrauschen, einschließlich kleinen Schwankungen der Wärmeenergie, getrennt werden.
Theoretisch könnten in naher Zukunft effizientere Kühlmethoden erreicht werden, was zu schnelleren Innovationen im Quantencomputing führen könnte, sagten die Forscher.
Das Team sagte auch, dass seine Technologie stattdessen genutzt werden könnte, um gleichzeitig ultrakalte Temperaturen zu erreichen, aber zu viel geringeren Kosten, was der Kryotechnik-Industrie zugute kommen könnte, da die Kosten für Experimente und industrielle Anwendungen gesenkt werden könnten, die nicht so lange dauern. Wissenschaftler arbeiten derzeit mit einem Industriepartner an der kommerziellen Freigabe des verbesserten PTR.
„Amateur-Organisator. Möchtegern-Bier-Evangelist. Allgemeiner Web-Fan. Zertifizierter Internet-Ninja. Begeisterter Leser.“
More Stories
Die NASA steht kurz vor der Entscheidung, was mit der in Schwierigkeiten geratenen Boeing-Raumsonde Starliner geschehen soll
Die Entdeckung von Überresten antiker Riesenviren liefert neue Hinweise auf die Ursprünge komplexen Lebens
Wissenschaftler entdecken „dunklen Sauerstoff“, der in den Tiefen des Ozeans ohne Licht entsteht