고급 냉각 기술은 양자 컴퓨팅을 활성화하고 주요 과학 실험에서 비용이 많이 드는 준비 시간을 몇 주 단위로 단축하는 데 도움이 될 수 있습니다.
과학자들은 종종 다음과 같은 온도에 가까운 온도를 생성해야 합니다. 절대 영도 양자 컴퓨팅 및 천문학 등의 용도로 사용됩니다. 이러한 온도는 가장 민감한 전기 장치를 온도 변화와 같은 간섭으로부터 자유롭게 유지하므로 “큰 추위”로 알려져 있습니다. 그러나 이러한 온도를 달성하는 데 사용되는 냉장고는 매우 비싸고 비효율적입니다.
그러나 미국 정부 기관인 국립표준기술연구소(NIST)의 과학자들은 더 빠르고 효율적으로 상당한 냉각을 달성할 수 있는 새로운 냉장고 프로토타입을 제작했습니다.
연구진은 4월 23일 Nature Communications 저널에 새로운 기계에 대한 자세한 내용을 발표했습니다. 그들은 이를 사용하면 연간 2,700만 와트의 에너지를 절약하고 전 세계 에너지 소비를 3,000만 달러만큼 줄일 수 있다고 주장했습니다.
차세대 냉장고
전통적인 가정용 냉장고는 증발과 응축 과정을 통해 작동합니다. 살아있는 과학. 냉매는 “증발기 코일”이라고 불리는 특수한 저압 튜브를 통과하게 됩니다.
증발하면서 열을 흡수해 냉장고 내부를 식힌 뒤 압축기를 통과해 다시 액체로 변해 냉장고 뒷면을 통해 방출되면서 온도가 올라간다.
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원하는 온도를 달성하기 위해 과학자들은 40년 넘게 펄스 튜브 냉장고(PTR)를 사용해 왔습니다. PTR 장치는 유사한 공정에서 헬륨 가스를 사용하지만 열 흡수가 더 뛰어나고 움직이는 부품이 없습니다.
효과적이긴 하지만 엄청난 양의 에너지를 소비하고, 비용이 많이 들고, 작동하는 데 시간이 많이 걸립니다. 그러나 NIST 연구원들은 PTR 장치가 불필요하게 비효율적이며 냉각 시간을 줄이고 전체 비용을 낮추기 위해 크게 개선될 수 있다는 사실도 발견했습니다.
연구에서 과학자들은 PTR 장치가 일반적으로 4켈빈에 가까운 “핵심 온도에서만 성능을 위해” 최적화되는 등 “상당한 단점을 안고 있다”고 말했습니다. 이는 냉각 중에 PTR이 대체로 비효율적인 수준으로 작동한다는 것을 의미한다고 덧붙였습니다.
팀은 압축기와 냉장고 사이의 PTR 설계를 수정함으로써 헬륨이 보다 효율적으로 사용된다는 사실을 발견했습니다. 냉각 중에 일부는 일반적으로 의도한 대로 회로 주위로 밀려나는 대신 릴리프 밸브로 강제로 들어가게 됩니다.
적은 비용으로 양자 컴퓨팅
제안된 재설계에는 헬륨이 이러한 방식으로 낭비되는 것을 방지하기 위해 온도가 감소함에 따라 수축하는 밸브가 포함됩니다. 그 결과, NIST 팀의 수정된 PTR은 Big Chill 점수를 1.7~3.5배 더 빠르게 달성했다고 과학자들은 논문에서 밝혔습니다.
연구진은 “현재 냉각 시간이 특성화 시간과 비슷한 양자 회로 모델링 소규모 실험에서 동적 음향 최적화를 통해 측정 처리량을 크게 높일 수 있습니다.”라고 썼습니다.
새로운 방법을 사용하면 현재 이론적 형태의 방사성 붕괴와 같은 희귀 사건을 찾는 데 사용되는 이탈리아의 시설인 극저온 지하 관측소(CUORE)에서 실험하는 데 최소 일주일을 절약할 수 있다고 연구진은 연구에서 밝혔습니다. 이러한 시설에서 정확한 결과를 얻으려면 배경 소음을 최대한 줄여야 합니다.
양자 컴퓨터에는 비슷한 수준의 격리가 필요합니다. 그들은 양자 비트 또는 큐비트를 사용합니다. 기존 컴퓨터는 정보를 비트 단위로 저장하고, 데이터를 1 또는 0 값으로 인코딩하고 순차적으로 계산을 수행하지만, 큐비트는 다음과 같은 법칙으로 인해 1과 0의 중첩을 차지합니다. 양자 역학계산을 병렬로 처리하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 큐비트는 매우 민감하므로 열 에너지의 작은 변동을 포함하여 가능한 한 많은 배경 소음으로부터 분리되어야 합니다.
이론적으로 더 효율적인 냉각 방법이 가까운 미래에 달성될 수 있으며, 이는 양자 컴퓨팅의 더 빠른 혁신으로 이어질 수 있다고 연구진은 말했습니다.
팀은 또한 그들의 기술을 사용하여 동시에 극저온을 달성하는 데 사용할 수 있지만 훨씬 낮은 비용으로 극저온 산업에 도움이 될 수 있으며 시간이 오래 걸리지 않는 실험 및 산업 응용 분야의 비용을 절감할 수 있다고 말했습니다. 과학자들은 현재 개선된 PTR을 상업적으로 출시하기 위해 산업 파트너와 협력하고 있습니다.
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