促进量子技术发展新型制冷机可高效实现“极寒”温度
科技日报北京5月28日电(记者刘霞)据美国趣味科学网站27日报道,量子计算和天文研究方面的实验通常要在接近绝对零度环境下进行,才能使最敏感的仪器免受温度变化等因素干扰,这种温度被称为“极寒”(BigChill)。但目前用来实现此类温度的制冷设备昂贵且低效。
现在,美国国家标准与技术研究所(NIST)科学家研制出一种新型制冷机,将实现“极寒”温度的速度提升了1.7—3.5倍。这一成果不仅有望节省大量能耗,而且能促进量子技术的发展。相关论文发表于最新一期《自然通讯》杂志。
传统家用冰箱通过蒸发和冷凝过程工作,驱动液体制冷剂通过一种名为“蒸发器盘管”的特殊低压管道。制冷剂蒸发时会吸收热量,冷却冰箱内部,然后蒸发的冷却剂通过压缩机再变回液体。脉冲管制冷机(PTR)也是通过类似过程,但利用氦气获得了更好的吸热能力。
科学家使用PTR制冷已有40多年。但NIST科学家指出,这种制冷机效率低下,仅在基本温度(通常接近4开尔文)下才可以获得最佳性能。实现“极寒”温度会消耗大量能量,而且需要很长时间。
在最新研究中,NIST团队发现,调整压缩机和制冷装置的设计,能大大的提升PTR内氦气的使用效率。他们的设计的具体方案包括一个阀门,当温度下降时,该阀门会收缩,防止氦气浪费。结果显示,改进后PTR实现“极寒”温度的速度提高了1.7—3.5倍。
研究人员指出,这种制冷机每年能节约2700万瓦的电力,使全球能耗费用缩减3000万美元,还能使“低温地下罕见事件观测站”(CUORE)的实验耗时至少缩短一周。CUORE位于意大利,用于寻找罕见事件,如目前仅理论证实的放射性衰变形式。为了让实验设施得到更准确结果,背景干扰必须尽可能小。此外,由于量子比特非常敏感,需要将它们尽可能地与环境干扰隔离,因此新型制冷机也有助加快量子计算领域的创新。
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