EPFL のエンジニアは、宇宙空間よりも低い温度で熱を効率的に電圧に変換できるデバイスを開発しました。このイノベーションは、最適に動作するには極度の低温が必要である量子コンピューティング技術の進歩に対する大きな障害を克服するのに役立つ可能性がある

量子コンピューティングを実行するには、原子の動きを遅くし、ノイズを最小限に抑えるために、量子ビット (量子ビット) をミリケルビン範囲 (摂氏 -273 度近く) の温度まで冷却する必要があります。ただし、これらの量子回路の管理に使用される電子機器は、このような低温では除去するのが難しい熱を発生します。その結果、現在のテクノロジーのほとんどは、量子回路を電子コンポーネントから分離する必要があり、その結果、ノイズと非効率が発生し、実験室の外でより大規模な量子システムを実現することが妨げられます。

アンドラス・キス率いるEPFLのナノエレクトロニクス・構造研究所（LANES）の研究者らは、極低温で動作するだけでなく、室温でも現在の技術と同等の効率を発揮するデバイスを開発した。この結果は、Nature Nanotechnology誌に掲載されました。

LANES博士課程の学生、ガブリエレ・パスクワーレ氏は、「私たちは、現在の技術の変換効率に匹敵し、量子システムに必要な低磁場と超低温で動作するデバイスを初めて開発した。この研究は本当に一歩前進だ」と語った。

この革新的なデバイスは、グラフェンの優れた導電性とセレン化インジウムの半導体特性を組み合わせています。わずか数個の原子の厚さで 2 次元の物体のように動作するこの新しい材料と構造の組み合わせにより、前例のないパフォーマンスが実現します。

このデバイスはネルンスト効果を利用しています。ネルンスト効果は、温度が変化する物体に対して磁場が垂直な場合に電圧を生成する複雑な熱電現象です。実験装置の 2D 特性により、機構の効率を電気的に制御できます。

2D 構造は、EPFL マイクロナノ技術センターと LANES 研究所で製造されました。実験には、熱源としてレーザーを使用し、宇宙よりもさらに低い温度である 100 ミリケルビンに達する特殊な希釈冷凍機を使用することが含まれていました。

このような低温で熱を電圧に変換することは通常非常に困難ですが、新しいデバイスとそのネルンスト効果の利用によりこれが可能になり、量子技術の重要なギャップが埋められます。

「寒いオフィスにラップトップを放置すると、作業中にラップトップが熱くなり、部屋の温度が上昇します。量子コンピューティングシステムには、現在のところ、この熱が量子ビットに干渉するのを防ぐメカニズムがありません。私たちのデバイスは、この必要な冷却を提供できます」とパスカーレ氏は述べた。

訓練を受けた物理学者であるパスカーレ氏は、この研究は、これまで解明されていない現象である低温での熱電エネルギー変換に光を当てたものであるため、重要であると強調した。高い変換効率と製造可能な電子部品の使用を考慮すると、LANES チームは、自社のデバイスがすでに既存の低温量子回路に統合できると考えています。

「これらの発見はナノテクノロジーの大きな進歩を表しており、ミリケルビン温度での量子コンピューティングに不可欠な高度な冷却技術の開発が期待できる」とパスクワーレ氏は述べた。 「私たちはこの成果が将来の技術の冷却システムに革命をもたらすと信じています。」