用于量子冷却的新型二维装置在超低温下将热量转化为电压

EPFL工程师发明了一种装置，可以在低于外太空的温度下高效地将热量转化为电压。这项创新可以帮助克服量子计算技术发展的重大障碍，因为量子计算技术需要极低的温度才能发挥最佳性能。

为了进行量子计算，必须将量子比特(qubit)冷却到毫开尔文范围(接近-273摄氏度)的温度，以减慢原子运动并最大限度地减少噪音。然而，用于管理这些量子电路的电子设备会产生热量，在如此低的温度下很难消除。

因此，大多数现有技术必须将量子电路与其电子元件分离，从而造成噪声和效率低下，阻碍实验室以外更大量子系统的实现。

在AndrasKis的带领下，EPFL工程学院纳米电子和结构实验室(LANES)的研究人员现已制造出一种设备，它不仅可以在极低温度下运行，而且其效率可与室温下的现有技术相媲美。该成果已发表在《自然纳米技术》上。

LANES博士生GabrielePasquale表示：“我们是第一个创造出与现有技术转换效率相匹配的设备，但它可以在量子系统所需的低磁场和超低温度下运行。这项工作确实向前迈了一步。”

这种创新器件将石墨烯的优异导电性与硒化铟的半导体特性相结合，厚度仅为几个原子，却表现得像一个二维物体，这种新颖的材料和结构组合产生了前所未有的性能。

该设备利用了能斯特效应：一种复杂的热电现象，当磁场垂直施加于温度变化的物体时，会产生电压。实验室设备的二维特性使得这种机制的效率可以通过电控制。

该2D结构由EPFL微纳米技术中心和LANES实验室制造。实验涉及使用激光作为热源，并使用专门的稀释制冷机达到100毫开尔文——比外太空还要低的温度。

在如此低的温度下将热量转化为电压通常极具挑战性，但这种新型装置及其对能斯特效应的利用使之成为可能，填补了量子技术的一个关键空白。

“想象一下在寒冷的办公室里放一台笔记本电脑，笔记本电脑在运行时仍会发热，从而导致房间温度也升高。在量子计算系统中，目前还没有机制可以防止这种热量干扰量子比特。我们的设备可以提供这种必要的冷却，”Pasquale说。

帕斯夸莱是一名受过专业训练的物理学家，他强调这项研究意义重大，因为它揭示了低温下热电转换——这是一种迄今为止尚未得到充分探索的现象。鉴于转换效率高，并且使用可能可制造的电子元件，LANES团队还认为他们的设备已经可以集成到现有的低温量子电路中。

“这些发现代表了纳米技术的重大进步，有望开发出在毫开尔文温度下进行量子计算所必需的先进冷却技术，”帕斯夸尔说。“我们相信这一成就可能会彻底改变未来技术的冷却系统。”