A tecnologia avançada de resfriamento pode ajudar a revitalizar a computação quântica e reduzir em semanas o dispendioso tempo de preparação em experimentos científicos importantes.
Os cientistas muitas vezes precisam gerar temperaturas próximas de… Zero absoluto Para computação quântica e astronomia, entre outros usos. Essas temperaturas são conhecidas como “grande frio”, pois mantêm os dispositivos elétricos mais sensíveis livres de interferências – como mudanças de temperatura. No entanto, os frigoríficos utilizados para atingir estas temperaturas são muito caros e ineficientes.
No entanto, cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) – uma agência governamental dos EUA – construíram um novo protótipo de refrigerador que afirmam poder atingir um resfriamento significativo de forma mais rápida e eficiente.
Os pesquisadores publicaram detalhes de sua nova máquina em 23 de abril na revista Nature Communications. Eles alegaram que seu uso poderia economizar 27 milhões de watts de energia anualmente e reduzir o consumo global de energia em US$ 30 milhões.
Uma nova geração de refrigeradores
Os refrigeradores domésticos tradicionais funcionam através de um processo de evaporação e condensação Ciências vivas. O refrigerante é forçado através de um tubo especial de baixa pressão chamado “bobina do evaporador”.
À medida que evapora, absorve calor para resfriar o interior da geladeira e depois passa por um compressor que o transforma novamente em líquido, aumentando sua temperatura à medida que irradia pela parte traseira da geladeira.
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Para atingir as temperaturas desejadas, os cientistas usam refrigeradores de tubo pulsado (PTRs) há mais de 40 anos. Os dispositivos PTR utilizam gás hélio em um processo semelhante, mas com melhor absorção de calor e sem peças móveis.
Embora eficaz, consome enormes quantidades de energia, é caro e demorado para operar. No entanto, os investigadores do NIST também descobriram que os dispositivos PTR são desnecessariamente ineficientes e poderiam ser significativamente melhorados para reduzir os tempos de arrefecimento e diminuir os custos globais.
No estudo, os cientistas disseram que os dispositivos PTR “sofrem de deficiências significativas”, como serem otimizados “para desempenho apenas na temperatura central” – normalmente perto de 4 Kelvin. Isto significa que durante o resfriamento, os PTRs operam em níveis bastante ineficientes, acrescentaram.
A equipe descobriu que ao modificar o design do PTR entre o compressor e o refrigerador, o hélio foi usado de forma mais eficiente. Durante o resfriamento, parte dele geralmente é forçada para dentro de uma válvula de alívio, em vez de ser empurrada pelo circuito conforme pretendido.
Computação quântica por uma fração do custo
O redesenho proposto inclui uma válvula que esvazia à medida que a temperatura diminui para evitar que qualquer hélio seja desperdiçado desta forma. Como resultado, o PTR modificado da equipa do NIST alcançou a pontuação Big Chill 1,7 a 3,5 vezes mais rápido, disseram os cientistas no seu artigo.
“Em experimentos menores que modelam circuitos quânticos onde os tempos de resfriamento são atualmente comparáveis aos tempos de caracterização, a otimização acústica dinâmica pode aumentar significativamente o rendimento da medição”, escreveram os pesquisadores.
O novo método pode poupar pelo menos uma semana de experiências no Observatório Subterrâneo Criogénico para Eventos Raros (CUORE) – uma instalação em Itália usada para procurar eventos raros como a atual forma teórica de decaimento radioativo, disseram os investigadores no seu estudo. Deve-se obter o mínimo possível de ruído de fundo para obter resultados precisos dessas instalações.
Os computadores quânticos precisam de um nível semelhante de isolamento. Eles usam bits quânticos, ou qubits. Os computadores tradicionais armazenam informações em bits, codificam dados com valor 1 ou 0 e realizam cálculos sequencialmente, mas os qubits ocupam uma superposição de 1 e 0, graças às leis da Mecânica quânticaEles podem ser usados para processar cálculos em paralelo. No entanto, os qubits são incrivelmente sensíveis e devem ser separados do máximo possível de ruído de fundo, incluindo pequenas flutuações na energia térmica.
Métodos de resfriamento mais eficientes poderiam, teoricamente, ser alcançados em um futuro próximo, o que poderia levar a uma inovação mais rápida na computação quântica, disseram os pesquisadores.
A equipe também disse que sua tecnologia poderia ser usada para atingir temperaturas ultrafrias ao mesmo tempo, mas a um custo muito menor, o que poderia beneficiar a indústria criogênica, reduzindo custos para experimentos e aplicações industriais que não demoram tanto. Os cientistas estão atualmente trabalhando com um parceiro industrial para lançar comercialmente o PTR melhorado.
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