ما المقصود بثلاجة الكم

يقتصر الاستخدام الواسع النطاق للتقنيات الكمية على أنظمة التبريد الكبيرة والمكلفة اللازمة لتطبيقاتها؛ ويمهد مجال الديناميكا الحرارية الكمومية الناشئ بسرعة الطريق لمخططات تبريد كمومية مدمجة وسريعة وفعالة للأجهزة الكمومية، حيث تقتصر الدراسات الرائدة على تبريد نظام واحد من مستويين كيوبت أو جسيم يدور.

ما المقصود بثلاجة الكم

تعتبر ثلاجة الكم من الأجهزة التي تحتوي على محركات حرارة كمية؛ وهو جهاز يولد الطاقة من تدفق الحرارة بين الخزانات الساخنة والباردة؛ حيث يمكن وصف آلية عمل المحرك بقوانين ميكانيكا الكم.

تشترك ثلاجات الكم في بنية المحركات الحرارية الكمومية بغرض ضخ الحرارة من البرودة إلى الحمام الساخن التي تستهلك الطاقة التي اقترحها أجد العلماء؛ وعندما يتم توفير الطاقة بواسطة الليزر، فإن العملية تسمى الضخ البصري أو التبريد بالليزر ، الذي اقترحه علماء الفيزياء.

ومن المثير للدهشة أن المحركات الحرارية والثلاجات يمكن أن تعمل بمقياس جسيم واحد، مما يبرر الحاجة إلى نظرية كمية تسمى الديناميكا الحرارية الكمومية.

الفائدة من تصنيع الثلاجة الكمومية

اقترح العلماء استخدام نظام قليل الكيوبت كثلاجة كمومية مدمجة لتبريد نظام متعدد الكيوبتات المتفاعلة، ويستخدم العلماء على وجه التحديد كيوبت مركزيًا مقترنًا بـ (N ancilla qubits star) ليتم استخدامه كمبرد عن طريق التفاعلات القصيرة مع نظام متعدد كيوبت ليتم تبريده.

إذا كان التفاعل بين الكيوبتات على شكل نموذج (Ising) الطولي والمغناطيسي، فإن الكيوبت المركزي يكون أكثر برودة من البيئة، حيث يتم تحضير وحدات التبريد الكمومية باستخدام نموذج النجم المغزلي الذي يمهد الطريق لتبريد نظام متعدد الكيوبتات عن طريق مسار تصادمي للتحويل الحراري.

يمكن أن تكون الثلاجات الكمومية المدمجة قليلة الكيوبتات مهمة لتقليل أبعاد تطبيقات تكنولوجيا الكم، ويمكن أن يكون من السهل دمجها في جميع أنظمة الكيوبت، ويمكن أن تزيد من سرعة وقوة الحوسبة الكمومية والأجهزة الحرارية.

كيف يتم تصنيع الثلاجة الكمومية

تتطلب دراسة التأثيرات الكمية والتحكم فيها أن يكون هناك إمكانية الوصول إلى نظام درجة الحرارة، حيث تكون التأثيرات أكثر وضوحًا؛ وتكون درجات الحرارة قريبة من تلك التي لا توجد فيها طاقة، وتسمى 0 كلفن (ك) أو الصفر المطلق.

إن ثلاجات التخفيف هي أجهزة مبردة تجريبية تعمل على تبريد حجم الفضاء إلى نظام ملي كلفن (mK)، باستخدام مزيج من نظيري الهيليوم، يسمى الهليوم 3 (He-3) والهيليوم 4 (He-4)؛ وتقوم ثلاجات التخفيف بإجراء هذا التبريد باستخدام عدد من الخطوات لإزالة الحرارة من خليط نظائر الهيليوم، ثم استخدام مضخات التفريغ لتدوير وتخفيف He-3 في خليط He-3 / He-4 حتى الوصول إلى درجة الحرارة المستهدفة.

حتى وقت قريب، كانت جميع ثلاجات التخفيف أنظمة “رطبة”، وتتطلب مواد باردة بالفعل مثل النيتروجين السائل والسوائل المبردة الأخرى لبدء التبريد؛ وتعتبر ثلاجات اليوم “جافة” بشكل أكثر شيوعًا؛ حيث تستخدم مكونًا ميكانيكيًا يسمى مبرد التبريد لتوفير درجات حرارة أولية تبلغ 50 كلفن و 4 كلفن للتبريد المسبق لخليط الهيليوم.

وهذه تعتبر قطع متطورة من الآلات، وبالتالي يصعب قياسها، ويتميز (Project Goldeneye) ببناء جديد تمامًا للإطار و (cryostat) المكون الرئيسي على شكل برميل والمسؤول عن التبريد؛ لزيادة الحجم التجريبي مع تقليل الضوضاء وتحقيق درجات الحرارة المطلوبة لتبريد أجهزة الكم التجريبية، وهذا ما جعل عملية إنشاء الثلاجات الكبيرة أسهل لأنها تحتاج لرافعات أكبر وعشرات الفنيين أو أكثر للتجميع والتفكيك.

علاقة ثلاجات الكم بالديناميكا الحرارية

يبدو أن هناك صيغتين مستقلتين للقانون الثالث للديناميكا الحرارية

• الصيغة الأولى: معروفة باسم نظرية نيرنست للحرارة، ويمكن صياغتها على النحو التالي ’’إذ تقترب إنتروبيا من أي مادة نقية في التوازن الديناميكي الحراري من الصفر عندما تقترب درجة الحرارة من الصفر’’.

• الصيغة الثانية: تكون ديناميكية، وهي معروفة باسم مبدأ عدم الوصول؛ وهنا من المستحيل تقليل أي تجميع إلى درجة حرارة الصفر المطلق في عدد محدود من العمليات.

وفي الحالة الثابتة، يشير القانون الثاني للديناميكا الحرارية إلى أن إجمالي إنتاج الانتروبيا غير سالب؛ وعندما يقترب الحمام البارد من درجة حرارة الصفر المطلق، فمن الضروري القضاء على تباعد إنتاج الانتروبيا في الجانب البارد.

وجه التشابه بين الثلاجة التقليدية والثلاجة الكمية

تستخدم الثلاجة الكمية عالية التوصيل أسس الموصلية الفائقة للعمل وتكوين بيئة تمتاز بالبرودة العالية، وبالتالي فإن البيئة الباردة تساعد على توليد التأثيرات الكمية المطلوبة لتعزيز تقنيات الكم؛ ستخلق الثلاجة الكمومية فائقة التوصيل بيئة، حيث يمكن للباحثين من خلالها تغيير المواد إلى حالة فائقة التوصيل على غرار تغيير مادة إلى غاز أو سائل أو صلب.

عندما يضع الباحثون تيارًا كهربائيًا ببطء على النيوبيوم، فإنه ينشئ مجالًا مغناطيسيًا يدخل في طبقة التنتالوم الوسطى، مما يعمل على عدم ازدواج الإلكترونات عالية التوصيل، والذهاب إلى حالتها الطبيعية وتبرد وتمتص طبقة التنتالوم الباردة الموجودة في الثلاجة الكمية الحرارة من الطبقة النحاسية الأكثر دفئًا.

ويقوم الباحثون بعد ذلك بإيقاف تشغيل المجال المغناطيسي ببطء، مما يتسبب في ازدواج الإلكترونات في التنتالوم والعودة إلى حالة التوصيل الفائق، ويصبح التنتالوم أكثر سخونة من طبقة النيوبيوم؛ ثم يتم نقل الحرارة الزائدة إلى النيوبيوم، وتتكرر الدورة مع الحفاظ على درجة حرارة منخفضة في الطبقة النحاسية العلوية.

مكونات الثلاجة الكمومية

• الطبقة السفلية من المكدس عبارة عن طبقة من النيوبيوم فائق الموصل، والتي تعمل كخزان ساخن، على غرار البيئة خارج الثلاجة التقليدية.

• الطبقة الوسطى هي التنتالوم فائق الموصل، وهو مادة العمل، مثل مادة التبريد في الثلاجة التقليدية.

• الطبقة العلوية من النحاس، وهو الخزان البارد، وهو يشبه الجزء الداخلي للثلاجة التقليدية.

تنظر دراسات الثلاجة الكمية المبكرة في استخدام التماسك الكمي المحقون بواسطة محركات خارجية، وترشيح الحمام الطيفي والتفاعلات المعدلة بشكل دوري، وخطط القياس المتكررة؛ وهناك مقترحات مثيرة للاهتمام تستند إلى التماسك الكمي والتشابك لتبريد أنظمة الكم.