Chłodzenie kwantowe, czyli rewolucja w przewodzeniu ciepła

Ciepło to sposób na przekazywanie energii (jak wiadomo albo ma miejsce praca, albo para idzie w gwizdek). Wszystko składa się z cząstek, a te, o ile jesteśmy powyżej zera absolutnego, wykazują ruch chaotyczny, ów zaś ma swą energię – wynika owo ciepło zatem z tzw. procesu cieplnego.  W nim zaś ilościowo daje się określić przekazywaną energię. Ciepło, jak uczono nas na fizyce w podstawówce, przepływa z miejsca o wyższej temperaturze do miejsca o niższej, aż do wyrównania tych temperatur. Korzystamy z tego ogrzewając (coraz drożej, ergo coraz słabiej) nasze domostwa. 

Istnieją jednak liczne obszary naszej aktywności, gdzie przegrzewanie jest groźne dla funkcjonowania. Jednym z nich jest otaczający nas coraz gęściej świat elektroniczny. Zapewnienie mu stosownego przepływu ciepła i chłodzenia kosztuje zasadniczo niemal tyle samo energii, co zasilanie go. Oczywiście ilość ciepła wytwarzanego przez komputer zmienia się w zależności od intensywnościwykonywanej pracy. Np. telefon komórkowy generuje tylko kilka miliwatów ciepła w trybie gotowości, oszczędzając energię baterii. Od swojego minimum 100 watów, przeciętny komputer stacjonarny może osiągnąć do 130 watów przy intensywnym użytkowaniu. Temperatury pomiędzy 40–65°C są tu uważane za bezpieczny zakres dla normalnego obciążenia komputera. Podczas uruchamiania bardziej intensywnych aplikacji lub gier, normalny zakres temperatur procesora możewzrosnąć do 70–80°C. Przegrzany procesor po prostu stanie i ewentualnie zepsuje się, a wentylator czy inny mechanizm chłodzący (płaszcz wodny etc.) jest zasadniczo najistotniejszym mechanicznym elementem całej maszyny zwanej komputerem.

Każdy dziś, choćby posługując się smartfonem, posiada komputer.  Generuje zatem sporo ciepła, im intensywniej skroluje zawartość mediów społecznościowych. Czy dziwi zatem, że giganci na ich rynku swoje serwerownie umieszczają gdzieś w okolicach koła podbiegunowego, aby zapewnić jak najtańszym kosztem niezbędne chłodzenie maszynom dającym nam nieustanny masowy dostęp do cudzych kotów i posiłków oraz właściwych poglądów? Bo za chłodzenie się płaci, a im dookoła cieplej, tym płacić będziemy więcej. Podobno klimatyzowanie baz amerykańskich podczas wojny w Iraku kosztowało tyle, co roczny budżet NASA. Nawet jeśli było to 10 razy mniej, to i tak stawia na baczność, czyż nie?

A teraz pomyślmy o rewolucji, która się dzieje na naszych oczach, czyli o komputerze kwantowym (w istocie procesorze kwantowym) – oraz całkiem już dziś licznych i wciąż powstających w laboratoriach fizyków eksperymentalnych urządzeniach kwantowych, służących celom rozmaitym. Od bycia kiedyś wbudowanym w szpitalne „maszyny do robienia ping” – jak by to ujęli chłopcy z Latającego Cyrku Monty Pythona, po wyposażenie stacji orbitalnych czy satelitów przyszłości. Jak wielkim problemem dla tej rewolucji jest i będzie, że „musi się grzać” i trzeba to jakiś sprytnie – i pewnie równie kwantowo – chłodzić? Niewiele o tym piszą i mówią Google czy Microsoft uczestniczący obok chińskich specjalistów w wyścigu po kolejne kontrolowalne kubity, zdolne wspólnie obliczyć w 5 minut to, co najszybszemu dziś istniejącemu komputerowi „na krzemie” zajęłoby jakiś trylion lat.

Dopiero w 2023 r. Wolfgang Belzig z uniwersytetu w Konstancji, Clemens Winkelmann  z NéelInstitute w Grenoble i Jukka Pekola z Aalto University w Helsinkach, na łamach „Nature Physics”zajęli się na poważnie i obliczeniowo tym pomijanym do owego czasu a zasadniczo kluczowym zagadnieniem. Fizycy skupili się na cieple jako czynniku interferencyjnym — i opracowali metodę eksperymentalnego pomiaru ciepła generowanego przez nadprzewodzący układ kwantowy. Te jakże wydajne obliczeniowo, wciąż jednak eksperymentalne urządzenia są jeszcze bardziej wrażliwe na ciepło, niż klasyczny laptop. Dzieje się tak, ponieważ ich podstawowe jednostki obliczeniowe, czyli kubity, opierają się na wysoce czułych elementach, nierzadko pojedynczych atomach czy jonach, a jak napisałam na wstępie – one drgają i to jest źródło ciepła. Aby „liczyły” muszą przestać tak szaleńczo drgać, więc chłodzić trzeba intensywnie i stale nawet zanim zaczniemy robić cokolwiek innego. 

Jak wyjaśniaj uczeni, „aby odzyskać informacje z kubitu, jego stan kwantowy musi zostać zniszczony. Ciepło uwolnione w tym procesie może zakłócać wrażliwy układ kwantowy, a własna generacja ciepła przez komputer kwantowy może stać się problemem”. Opracowali oni metodę, która może mierzyć i wyświetlać krzywą temperatury z dokładnością do jednej milionowej sekundy w trakcie całego procesu odczytu jednego kubitu. 

Dziś inni uczeni, z australijskiego Monash University w Clayton, na łamach „APL Quantum” proponują rozwiązanie gigantycznego problemu, jakim jest tu ciepło.  Piszą o rozwojujednokierunkowego przepływu ciepła w ramach nowatorskich kwantowych diod termicznych. Są oni heroldami rozwijającej się przed nami dziedziny zwanej termotroniką, która koncentruje się na manipulowaniu strumieniem ciepła w sposób analogiczny do tego, w jaki elektronika kontroluje energię elektryczną. Wg wspomnianych autorów, czyli Anuradhi Rajapaksha, Sarath D. Gunapala i Malin Premaratne, do najbardziej obiecujących osiągnięć należą tu kwantowe tranzystory termiczneoraz zwłaszcza kwantowe diody termiczne, które umożliwiają kierunkową kontrolę ciepła, gdyż precyzyjnie regulują przepływ ciepła, umożliwiając go w jednym tylko kierunku, a blokując w przeciwnym.

Jak wyjaśniają: „kwantowa dioda termiczna oparta jest na interakcji między qutritem (systemem kwantowym z trzema stabilnymi poziomami energii) a kubitem (systemem z dwoma stabilnymi poziomami energii). Ich urządzenie wykorzystuje wrodzone właściwości mechaniki kwantowej, aby stworzyć asymetryczny krajobraz energetyczny, który z natury, jak wspomniałam na wstępie, sprzyja przepływowi ciepła w jednym kierunku, w zależności od gradientu temperatury. To kierunkowe zachowanie jest analogiczne do sposobu, w jaki dioda elektroniczna ułatwia jednokierunkowy przepływ prądu w oparciu o różnicę potencjałów na jej zaciskach.” 

Wg autorów tych eksperymentów, ich przełomowy system działa jak idealna dioda termiczna w szerokim zakresie temperatur, a w przeciwieństwie do systemów klasycznych, a „kwantowa natura tego urządzenia pozwala na precyzyjne dostrojenie jego właściwości, w tym odstępu poziomów energii i sił sprzężenia między kubitem i kutritem”. To oznacza, że projektowane urządzenie – czy cała architektura kwantowego radzenia sobie z ciepłem – może mieć bardzo liczne i różnorodne zastosowania. Już dziś tzw. urządzeń nanoskalowych nie brakuje,  a „łącząc kutrit i kubit w jednym systemie, konstrukcja ta nie tylko osiąga kierunkowy przepływ ciepła, ale także zwiększa wydajność, oferując praktyczne i skalowalne rozwiązanie dla zaawansowanej termotroniki”.

Przydać się to może już dziś, bo diody termiczne mogą znacznie poprawić chłodzenie wysokowydajnej elektroniki, takiej, jaka ona jest, w której rozpraszanie ciepła jest dziś głównym problemem technologicznym. Z drugiej strony patrząc, diody takie mogą umożliwić bardziej wydajne zbieranie energii poprzez przekształcanie ciepła odpadowego w energię użyteczną, przyczyniając się do naszych wspólnych wysiłków na rzecz zrównoważonego rozwoju. Po co para ma iść w gwizdek?

Będą nam owe diody kwantowe pomagać – wg autorów wspomnianego badania i rozwiązania technologicznego –w dynamicznym zarządzaniu temperaturami w budynkach, zwiększaniuwydajności generatorów termoelektrycznych, a nawet ulepszaniu systemów termicznych statków kosmicznych. Dosłownie „sky is the limit”.

Tu także młodzi australijscy uczeni zauważają, że „kwantowe diody termiczne mogą utorować drogę dla termicznych urządzeń logicznych — termicznych analogów diod elektronicznych — umożliwiających wykonywanie obliczeń przy użyciu przepływu ciepła, a nie prądu elektrycznego. Takie rozwiązanie oznaczałoby zupełnie nowy paradygmat w obliczeniach, który mógłby znaleźć zastosowanie w dziedzinach wymagających specjalnej architektury do zarządzania energią i ciepłem”.Tradycyjne metody chłodzenia nie nadają się na przyszłość, a „jutro to dziś, tyle że jutro”, jak zgrabnie ubrał rzecz w słowa Stanisław Lem.