Foi desenvolvido um cooler termiônico para chips – que ajudará na criação de computadores quânticos do futuro

Uma equipa de investigação do centro de investigação técnica finlandês VTT desenvolveu um dispositivo que permite que o arrefecimento seja realizado inteiramente eletronicamente, reduzindo potencialmente os custos de arrefecimento para computadores quânticos por um fator de dez. Já durante os experimentos, a tecnologia desenvolvida permitiu reduzir a temperatura em 40%. Esta pesquisa poderia simplificar significativamente a criação de computadores quânticos produtivos e eficientes em termos energéticos.

Fonte da imagem: QuantWare

Muitos computadores quânticos usam transmons, qubits supercondutores, para realizar trabalhos computacionais úteis. Esta é a tecnologia escolhida por muitas empresas envolvidas no progresso quântico, como IBM, Google, Amazon e outras. Esses qubits supercondutores requerem temperaturas próximas do zero absoluto para funcionar. A necessidade de misturar diferentes isótopos de hélio para atingir temperaturas operacionais ideais aumenta a complexidade.

Uma das limitações fundamentais de qualquer computação de alto nível é a capacidade de remover o calor gerado no processo. O calor é um dos problemas de engenharia mais desafiadores nos sistemas de computação modernos. Mas os computadores quânticos são ainda mais exigentes em termos de refrigeração do que a electrónica tradicional: são mais sensíveis a interferências externas e menos resistentes a vários tipos de interferência. Portanto, novos métodos são necessários para fornecer um resfriamento mais simples e eficiente. Até agora, a maioria dos sistemas de refrigeração baseava-se na remoção de um líquido refrigerante (como água ou ar) de uma fonte de calor.

Os cientistas da VTT desenvolveram um dispositivo termiônico que remove o calor na forma de elétrons liberados. A transferência de energia durante a passagem de uma corrente elétrica no ponto de contato (junção) de dois condutores diferentes é conhecida desde 1834 sob o nome de efeito Peltier. Os pesquisadores esperam que sua abordagem para explorar esse efeito seja capaz de resfriar componentes eletrônicos a temperaturas que variam de 1,5 K a 0,1 K.

Camadas de materiais são sobrepostas umas às outras e conectadas por junções de túneis através das quais passa uma corrente elétrica, o que leva à remoção sequencial de calor de camada para camada. A temperatura mais baixa é alcançada na camada superior – o chip, que é usado para computação.

Fonte da imagem: VTT

Um dos problemas dos resfriadores termiônicos é que além dos elétrons, outras partículas também interagem entre si, e muitas vezes o resfriamento obtido pela remoção dos elétrons é perdido em decorrência do “retorno” de calor por outras partículas quando interagem com o material resfriado. Este processo é conhecido como “retroespalhamento”. Diz-se que a vantagem do novo dispositivo termiônico é que ele pode impedir que as partículas que retornam interajam com uma superfície previamente resfriada e, portanto, aqueçam-na.

Os desenvolvedores afirmam que seu desenvolvimento tornará possível criar dispositivos de resfriamento relativamente baratos e compactos que superam os sistemas clássicos de remoção de calor líquido. “Nossa tecnologia pode ajudar a indústria a reduzir o tamanho geral de um sistema de computador quântico”, acreditam os pesquisadores.

Esta tecnologia ainda está em fase de desenvolvimento, mas já está claro que o desenvolvimento bem-sucedido de sistemas de computação quântica e clássica requer avanços fundamentais no resfriamento. Embora o futuro do novo dispositivo termiônico não seja claro, ele pelo menos elimina alguns obstáculos e oferece soluções de resfriamento menores e mais eficientes.