Физики из Рочестерского университета изучат потоки тепла и энергии в квантовой механике, чтобы помочь разработать более эффективные квантовые компьютеры.

На невероятно крошечном квантовом уровне законы физики начинают действовать по-другому, и обычные правила не применяются, в том числе то, как тепло и энергия проходят через атомы. Чтобы создать более эффективные квантовые компьютеры и другие технологии, ученые должны сначала понять, как манипулировать теплом и энергией в квантово-механических системах.

Термоэлектричество генерирует электрическую энергию из теплового потока и наоборот. Ученые предсказывают, что полупроводниковые квантовые точки — крошечные частицы, которые захватывают электроны, — могут обеспечить высокоэффективное производство термоэлектрической энергии и охлаждение.

Джон Никол, адъюнкт-профессор физики в Университете Рочестера, и сотрудники его лаборатории исследуют, как холодильники на основе квантовых точек могут охлаждать атомы почти до абсолютного нуля, делая квантовые компьютеры более холодными и улучшая их производительность.

Квантовым компьютерам требуется холодная среда, потому что они полагаются на тонкие объекты, называемые квантовыми битами, или кубитами. Большинство кубитов необходимо охлаждать с точностью до нескольких тысячных от абсолютного нуля, чтобы устранить тепловые шумы и вибрации, которые имеют тенденцию разрушать информацию в кубитах. Создание криогенной среды для кубитов требует значительных затрат энергии.

В исследованиях Никола будут изучены новые способы создания ультрахолодных условий для кубитов и как достичь еще более низких температур, чем это возможно при современных технологиях.

Никол и его команда также будут исследовать два специфических квантовых явления: суперпозицию — когда крошечная частица, такая как электрон, может находиться в двух разных местах или состояниях одновременно, подобно двусторонней монете; и переплетение — когда свойства одной частицы взаимосвязаны со свойствами другой частицы, так что состояние одной мгновенно влияет на состояние другой, даже когда частицы разделены большим расстоянием.

Исследователи определят, как суперпозиция и переплетение могут улучшить выработку термоэлектрической энергии и охлаждение и как использовать поток тепла для создания суперпозиции и переплетения.

«Мы все еще не до конца понимаем все способы передачи тепла и энергии в квантовых устройствах», — говорит Никол. «Наше исследование направлено на улучшение этого понимания, в то же время предоставляя новые способы сделать кубиты более холодными и продвинуть область квантовых вычислений».