На фоне мирового кризиса поставок гелия, из Китая приходит новость, способная изменить правила игры в совершенно другом сегменте — квантовых вычислений и криогенной электроники. Исследователи разработали компактный охлаждающий модуль, способный достигать температур в окрестности абсолютного нуля — минус 273 °C — без использования гелия-3, одного из самых редких и дорогих веществ на планете.
Зачем вообще нужны такие температуры
Квантовые процессоры работают только в условиях экстремального холода. Кубиты, квантовые аналоги обычных битов, сохраняют своё хрупкое состояние лишь при температурах, измеряемых тысячными долями градуса выше абсолютного нуля. Любое тепловое колебание разрушает суперпозицию и обнуляет вычисление. Именно поэтому квантовые компьютеры Google, IBM и других разработчиков упакованы в гигантские криостаты — по сути, холодильники размером с комнату, работающие при температуре холоднее открытого космоса.
Традиционно для достижения таких экстремальных режимов используется гелий-3 — сверхлёгкий изотоп гелия. Проблема в том, что этот газ практически не встречается в природе: основной его источник — распад трития в ядерных боеголовках. Мировые запасы ограничены, цена достигает десятков тысяч долларов за литр, а спрос растёт вместе с квантовой гонкой. Дефицит гелия-3 — одно из самых серьёзных узких мест на пути к масштабированию квантовых технологий.
Что придумали китайские учёные
Группа исследователей, результаты которой описывает South China Morning Post, предложила альтернативный путь к субкельвиновым температурам — через твердотельное охлаждение на основе нового редкоземельного сплава.
Ключевой элемент разработки — соединение европия, кобальта и алюминия с формулой EuCo₂Al₉. Этот материал обладает необычным сочетанием свойств:
- теплопроводность на уровне металлов — эффективно отводит тепло от подключённых компонентов;
- выраженный магнетокалорический эффект — способность резко менять температуру при изменении внешнего магнитного поля;
- отсутствие подвижных элементов в конструкции охлаждающего модуля — ни компрессоров, ни турбин, ни циркулирующих жидкостей.
Принцип работы основан на методе адиабатического размагничивания (ADR). Суть его в следующем: сплав намагничивается внешним полем, при этом его магнитные моменты упорядочиваются и материал выделяет тепло, которое отводится. Затем поле снимается, моменты снова приходят в хаотическое состояние, и материал резко охлаждается — ниже 0,7 кельвина, то есть менее чем на градус выше абсолютного нуля.
В чём прорыв по сравнению с прежними ADR-системами
Сам принцип адиабатического размагничивания известен физикам с 1930-х годов. Технология не нова. Но до сих пор у неё был критический изъян: материалы, которые хорошо охлаждались сами, плохо передавали холод окружающим элементам. Представьте холодильник, внутри которого минус двести, но полки остаются комнатной температуры — примерно так выглядела проблема.
Сплав EuCo₂Al₉, по утверждению авторов, впервые решает обе задачи одновременно: и глубоко охлаждается при размагничивании, и эффективно передаёт этот холод подключённым компонентам — например, квантовому чипу или сверхпроводящему датчику. Именно это делает разработку потенциально пригодной для практического применения, а не только для лабораторных демонстраций.
Где это может применяться
Спектр потенциальных областей использования широк и выходит далеко за пределы квантовых компьютеров:
- Квантовые процессоры — замена громоздких и дорогих гелий-3 криостатов компактными твердотельными модулями может радикально упростить конструкцию квантовых машин и снизить стоимость их эксплуатации;
- Военная электроника — инфракрасные детекторы, сверхчувствительные приёмники и системы наведения требуют криогенного охлаждения для работы в предельных режимах чувствительности;
- Космические технологии — спутниковые телескопы и научные приборы на орбите нуждаются в охлаждении до субкельвиновых температур, а доставлять гелий-3 в космос запредельно дорого;
- Медицинская диагностика — сверхпроводящие магниты для МРТ и перспективных методов нейровизуализации.
Китайская академия наук оценивает потенциал нового материала как достаточный для масштабного промышленного производства. Все три элемента в составе сплава — европий, кобальт и алюминий — доступны в промышленных объёмах, хотя европий и относится к редкоземельным металлам, основные запасы которых сосредоточены именно в Китае.
Почему это важно в контексте гелиевого кризиса
Разработка китайских учёных ложится в контекст двух параллельных процессов. Первый — острый дефицит обычного гелия-4, вызванный войной на Ближнем Востоке и остановкой катарского экспорта. Второй — хронический и ещё более жёсткий дефицит гелия-3, который ограничивает развитие квантовых технологий по всему миру.
Если твердотельный модуль на основе EuCo₂Al₉ пройдёт путь от лабораторного прототипа до серийного изделия, квантовая индустрия получит возможность масштабироваться, не упираясь в потолок поставок сверхредкого изотопа. А Китай, контролирующий добычу большинства редкоземельных элементов, окажется в положении страны, владеющей и технологией, и сырьём для её реализации.
Впрочем, между лабораторной публикацией и коммерческим криостатом — дистанция, которую полупроводниковая отрасль знает слишком хорошо. Пока речь идёт о доказательстве принципа. Но если принцип работает — а авторы утверждают, что работает, — то квантовые компьютеры будущего могут обойтись без самого дефицитного газа на Земле.