Le grand froid quantique : des scientifiques du NIST modifient un réfrigérateur de laboratoire courant pour le refroidir plus rapidement avec moins d'énergie
Le temps et l'énergie nécessaires pour refroidir les matériaux à des températures proches du zéro absolu ont été considérablement réduits
En modifiant un réfrigérateur couramment utilisé dans la recherche et l'industrie, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont considérablement réduit le temps et l'énergie nécessaires pour refroidir des matériaux à quelques degrés au-dessus du zéro absolu. Les scientifiques affirment que leur prototype, qu'ils s'efforcent actuellement de commercialiser avec un partenaire industriel, pourrait permettre d'économiser chaque année environ 27 millions de watts d'énergie, 30 millions de dollars de consommation électrique mondiale et suffisamment d'eau de refroidissement pour remplir 5 000 piscines olympiques.
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Qu'il s'agisse de stabiliser les qubits (l'unité de base de l'information dans un ordinateur quantique), de préserver les propriétés supraconductrices des matériaux ou de maintenir le télescope spatial James Webb de la NASA suffisamment froid pour observer le ciel, la réfrigération ultrafroide est essentielle au fonctionnement de nombreux appareils et capteurs. Pendant des décennies, le réfrigérateur à tube d'impulsion (PTR) a été l'appareil de référence pour atteindre des températures aussi froides que le vide de l'espace extra-atmosphérique.
Ces réfrigérateurs compriment (chauffent) et dilatent (refroidissent) cycliquement l'hélium gazeux à haute pression pour obtenir le "grand froid", de manière largement analogue à la façon dont un réfrigérateur domestique utilise la transformation du fréon de liquide en vapeur pour évacuer la chaleur. Depuis plus de 40 ans, le PTR a prouvé sa fiabilité, mais il est également gourmand en énergie, consommant plus d'électricité que n'importe quel autre composant d'une expérience sur les températures ultra-basses.
Lorsque Ryan Snodgrass, chercheur au NIST, et ses collègues ont examiné le réfrigérateur de plus près, ils ont découvert que les fabricants avaient conçu l'appareil pour qu'il ne soit économe en énergie qu'à sa température finale de fonctionnement de 4 kelvins (K), soit 4 degrés au-dessus du zéro absolu. L'équipe a constaté que ces réfrigérateurs sont extrêmement inefficaces à des températures plus élevées, ce qui pose un problème important car le processus de refroidissement commence à la température ambiante.
Au cours d'une série d'expériences, M. Snodgrass et les scientifiques du NIST Joel Ullom, Vincent Kotsubo et Scott Backhaus ont découvert qu'à température ambiante, l'hélium gazeux était soumis à une pression si élevée qu'une partie était expulsée par une soupape de sûreté au lieu d'être utilisée pour le refroidissement. En modifiant les connexions mécaniques entre le compresseur et le réfrigérateur, l'équipe s'est assurée qu'aucune partie de l'hélium ne serait gaspillée, améliorant ainsi considérablement l'efficacité du réfrigérateur.
En particulier, les chercheurs ont ajusté en permanence une série de vannes qui contrôlent la quantité d'hélium gazeux circulant entre le compresseur et le réfrigérateur. Les scientifiques ont découvert qu'en laissant les vannes s'ouvrir davantage à température ambiante, puis en les fermant progressivement au fur et à mesure du refroidissement, ils pouvaient réduire le temps de refroidissement de moitié ou d'un quart par rapport à la situation actuelle. Actuellement, les scientifiques doivent attendre un jour ou plus pour que les nouveaux circuits quantiques soient suffisamment froids pour être testés. Étant donné que les progrès de la recherche scientifique peuvent être limités par le temps nécessaire pour atteindre les températures cryogéniques, le refroidissement plus rapide fourni par cette technologie pourrait avoir un impact important dans de nombreux domaines, y compris l'informatique quantique et d'autres domaines de la recherche quantique. La technologie développée par l'équipe du NIST pourrait également permettre aux scientifiques de remplacer les grands réfrigérateurs à tubes à impulsions par des réfrigérateurs beaucoup plus petits, qui nécessitent moins d'infrastructures de soutien, a déclaré M. Snodgrass.
Ces réfrigérateurs seront d'autant plus nécessaires que la recherche sur l'informatique quantique, qui s'appuie sur la technologie cryogénique, continue de se développer. Le PTR modifié permettrait alors d'économiser beaucoup plus d'argent, d'énergie électrique et d'eau de refroidissement. En plus de soutenir une économie quantique en plein essor, l'appareil accélérerait également la recherche, car les scientifiques n'auraient plus à attendre des jours ou des semaines pour que les qubits et autres composants quantiques soient refroidis.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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