Разработан термоэмиссионный кулер для чипов — он поможет в создании квантовых компьютеров будущего

Исследовательская группа финского центра технических исследований VTT разработала устройство, которое позволяет осуществлять охлаждение полностью электронным способом, потенциально сокращая затраты на охлаждение квантовых компьютеров в десять раз. Уже в ходе экспериментов разработанная технология позволила снизить температуру на 40 %. Эти исследования могут существенно упростить создание энергоэффективных и производительных квантовых компьютеров.

Многие квантовые компьютеры используют трансмоны, сверхпроводящие кубиты для выполнения полезной вычислительной работы. Именно такую технологию выбрали многие компании, занимающиеся квантовым прогрессом, такие как IBM, Google, Amazon и другие. Для функционирования этих сверхпроводящих кубитов требуются температуры, близкие к абсолютному нулю. Необходимость смешивания различных изотопов гелия для достижения идеальных рабочих температур усложняет задачу.

Одним из фундаментальных ограничений любых высокоуровневых вычислений является способность отводить генерируемое в процессе тепло. Нагрев — одна из самых сложных инженерных проблем в современных вычислительных системах. Но квантовые компьютеры ещё более требовательны к охлаждению, чем традиционная электроника: они чувствительнее к внешнему вмешательству и менее устойчивы к различным типам помех. Поэтому требуются новые методы, позволяющие обеспечить более простое и эффективное охлаждение. До сих пор большинство систем охлаждения были основаны на отводе теплоносителя (например, воды или воздуха) от источника тепла.

Учёные из VTT разработали термоэлектронное устройство, которое отводит тепло в виде высвобождаемых электронов. Перенос энергии при прохождении электрического тока в месте контакта (спая) двух разнородных проводников известен с 1834 года под названием эффекта Пельтье. Исследователи ожидают, что применённый ими подход к использованию этого эффекта сможет обеспечить охлаждение электронных компонентов до температур в диапазоне от 1,5 К до 0,1 К.

Слои материалов накладываются друг на друга и соединяются туннельными переходами, через которые проходит электрический ток, что приводит к последовательному отводу тепла от слоя к слою. Самая низкая температура достигается на самом верхнем слое — чипе, который используется для вычислений.

Одна из проблем термоэмиссионных охладителей заключается в том, что помимо электронов другие частицы также взаимодействуют друг с другом и нередко охлаждение, достигнутое за счёт отведения электронов, теряется в результате «возвращения» тепла другими частицами при их взаимодействии с охлаждённым материалом. Этот процесс известен как «обратное рассеяние». Как утверждается, преимущество нового термоэлектронного устройства состоит в том, что оно способно блокировать возвращающиеся частицы от взаимодействия с ранее охлаждённой поверхностью и, соответственно, её нагрева.

Разработчики утверждают, что их разработка позволит создать сравнительно дешёвые и компактные устройства охлаждения, превосходящие классические жидкостные системы отвода тепла. «Наша технология может помочь отрасли уменьшить общий размер квантовой компьютерной системы», — уверены исследователи.

Эта технология пока находится на стадии развития, но уже сейчас понятно, что для успешной разработки как квантовых, так и классических вычислительных систем требуются фундаментальные прорывы в охлаждении. Пока перспективы нового термоэлектронного устройства неясны, но оно, по крайней мере, устраняет некоторые препятствия и предлагает меньшие по размеру и более эффективные решения для охлаждения.