Alors que de nombreuses équipes de recherche dans le monde tentent de développer des ordinateurs quantiques hautement performants, certains travaillent sur des outils pour contrôler le flux de chaleur à l'intérieur d'eux. Tout comme les ordinateurs conventionnels, En réalité, les ordinateurs quantiques peuvent chauffer considérablement pendant leur fonctionnement, ce qui peut endommager à la fois les appareils et leur environnement.

Une équipe de chercheurs de l'Université Grenoble Alpes en France et du Centre d'excellence Quantum Technology en Finlande a récemment développé une vanne thermique à point quantique unique, un dispositif qui peut aider à contrôler le flux de chaleur dans les jonctions à point quantique unique. Cette vanne de chaleur, présenté dans un article publié dans Lettres d'examen physique , pourrait aider à empêcher la surchauffe des ordinateurs quantiques.

« Avec la miniaturisation des composants électroniques, la gestion de l'excès de chaleur à l'échelle nanométrique est devenue un problème de plus en plus important à traiter, " Nicola Lo Gullo, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. « Cela est particulièrement vrai lorsque l'on veut préserver la nature quantique d'un appareil ; l'augmentation de la température entraîne généralement la dégradation des propriétés quantiques. La réalisation récente d'une vanne thermique photonique par un autre groupe de recherche nous a finalement inspirés à créer une soupape de chaleur basée sur une boîte quantique à l'état solide."

L'un des principaux objectifs de la récente étude menée par Lo Gullo et ses collègues était de démontrer la faisabilité de contrôler la quantité de chaleur qui circule à travers une jonction de points quantiques, tout en permettant également la circulation d'une quantité définie de courant électrique. Pour concevoir leur vanne de chaleur à point quantique unique, les chercheurs ont placé une nanoparticule d'or entre deux contacts métalliques, en l'utilisant comme jonction. Cette nanoparticule est si petite qu'elle peut être utilisée pour intervenir sur un seul niveau d'énergie, agissant comme un atome artificiel plus gros avec plusieurs niveaux d'énergie accessibles.

"En réglant correctement les paramètres externes, il est possible de permettre aux électrons dans l'un des contacts de traverser un seul des niveaux de cet atome artificiel et d'atteindre l'autre contact, " expliqua Lo Gullo. " La boîte quantique à un niveau agit donc comme un pont entre les deux contacts métalliques. "

Dans des circonstances normales, l'échange d'énergie n'est possible que lorsque le niveau d'énergie d'une boîte quantique est en résonance avec l'énergie des électrons dans les contacts. Dans le dispositif développé par Lo Gullo et ses collègues, cependant, la présence des contacts modifie les propriétés de l'atome artificiel, en élargissant ses niveaux d'énergie.

"Cet effet est au cœur de l'effet de soupape de chaleur que nous avons étudié, " Lo Gullo a ajouté. " L'élargissement revient à la création d'états virtuels, qui ne sont pas classiquement accessibles et permettent aux électrons de circuler d'un contact à l'autre, en transportant de l'énergie et en provoquant l'effet de soupape de chaleur que nous avons signalé."

Dans les conducteurs plus gros (macroscopiques), les chercheurs ont identifié une relation simple et universelle entre leur capacité à conduire une charge électrique et leur capacité à conduire la chaleur. Cette relation est décrite par une construction théorique connue sous le nom de loi de Wiedemann-Franz.

Dans les dispositifs quantiques comme celui développé par Lo Gullo et ses collègues, cependant, les choses ne sont pas aussi simples. Ceci est dû à la quantification de la charge et de l'énergie, ce qui conduit à des écarts par rapport à la loi de Wiedemann-Franz.

"En utilisant l'image de la mécanique quantique la plus basique (appelée semi-classique), on s'attendrait à ce qu'une jonction de points quantiques ne conduise pas du tout la chaleur, " Clemens Winkelmann, un autre chercheur impliqué dans l'étude, dit Phys.org. "Nos mesures, cependant, montrer que ce n'est pas vrai, et l'explication théorique est liée aux fluctuations quantiques, exactement comme dans le principe d'incertitude de Heisenberg, qui restituent en partie l'énergie et donc le flux de chaleur."

Lorsqu'ils développaient leur appareil, les chercheurs ont dû surmonter un certain nombre de défis techniques. Par exemple, ils ont dû identifier une stratégie pour mesurer la température (et les différences de température) localement à l'intérieur d'un dispositif quantique. Finalement, l'une des plus grandes réussites de leur étude est qu'ils ont pu collecter ces mesures et ainsi mieux comprendre comment la chaleur est gérée à l'intérieur des appareils quantiques.

"Les appareils électroniques produisent de la dissipation lorsqu'ils traitent des informations, et cela conduit aux problèmes de surchauffe bien connus observés dans les processeurs classiques, qui se produisent également le monde quantique, " Winkelmann a déclaré. " La surchauffe peut perturber le fonctionnement logique de l'appareil, conduisant à des erreurs. Notre travail permet de mieux comprendre comment la chaleur est générée et peut être évacuée dans un tel appareil."

En introduisant une stratégie pour contrôler la chaleur circulant à travers les plus petites jonctions dans les dispositifs quantiques, le récent article de Lo Gullo, Winkelmann et leurs collègues pourraient ouvrir de nouvelles possibilités intéressantes liées à un domaine d'étude émergent connu sous le nom de thermotronique à l'état solide. La recherche en thermotronique à semi-conducteurs étudie la possibilité de contrôler les flux de chaleur à travers les gradients de température d'une manière similaire à celle dans laquelle les courants et les tensions électriques sont contrôlés dans les dispositifs existants.

« La thermotronique à l'état solide est un domaine relativement nouveau, mais des progrès importants ont été accomplis, comme la réalisation de vannes thermiques, diodes thermiques et transistors, les récupérateurs d'énergie et même les propositions de portes logiques thermiques, " a déclaré Lo Gullo. " Nous avons fourni un autre exemple de la faisabilité du contrôle et de la mesure des courants thermiques et des températures dans les dispositifs à semi-conducteurs. "

À l'avenir, la vanne thermique développée par cette équipe de chercheurs pourrait améliorer la fiabilité et la sécurité des dispositifs quantiques, réduisant le risque de surchauffe. Dans leurs prochaines études, Lo Gullo et Winkelmann aimeraient concevoir des stratégies pour mesurer la dissipation dans le temps. En d'autres termes, au lieu de se concentrer sur le chauffage en régime permanent d'un appareil quantique, ils prévoient d'examiner seul, processus élémentaires de dissipation quantique, comme l'effet tunnel d'un seul électron ou un seul glissement 2π de la phase de mécanique quantique.

« Il existe de nombreuses directions possibles pour la recherche future, " a ajouté Lo Gullo. " Nous étudions actuellement des jonctions avec une structure plus complexe pour voir si elles offrent des avantages en termes de plage d'opérabilité. Une autre possibilité intéressante est d'obtenir un contrôle résolu dans le temps du flux de chaleur, permettant ainsi des opérations en temps réel en vue d'applications à la thermotronique."

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