von Uthpala N. Ekanayake und Malin Premaratne
Wissenschaftler finden Möglichkeiten, Quanteneffekte zu nutzen, um bahnbrechende thermische Geräte zu entwickeln, die zur Kühlung elektronischer Systeme beitragen können. Der Quantenthermotransistor ist eine der aufregendsten Innovationen auf diesem Gebiet. Während die aktuellen Arbeiten rund um dieses Gerät noch theoretischer Natur sind, haben jüngste Fortschritte bei der Herstellung von Qubits mithilfe von Quantenpunkten und supraleitenden Schaltkreisen ein wachsendes Gefühl des Optimismus hervorgerufen.
Diese Quantenthermotransistoren nutzen die einzigartigen Prinzipien der Quantenmechanik, bei der die Wärmeübertragung in diskreten Sprüngen zwischen Energieniveaus erfolgt – ähnlich wie Quantencomputer Informationen im winzigen Maßstab verarbeiten.
Heutige Quantenthermotransistormodelle arbeiten mit begrenzter Selbstregulierung, aber unsere jüngste Arbeit am Advanced Computing and Simulation Laboratory (AχL) der Monash University, Australien, in Zusammenarbeit mit dem Jet Propulsion Laboratory am Caltech, führt ein neues Konzept ein.
Wir schlagen einen selbstregulierenden Quantenthermotransistor vor, der seine Leistung mithilfe von Rückkopplungsmechanismen steuern kann. Inspiriert von der Idee von Rückkopplungswiderständen in der traditionellen Elektronik trägt dieses Rückkopplungssystem dazu bei, unerwünschtes Rauschen und Interferenzen (ein Phänomen namens Dekohärenz) zu reduzieren, das oft die empfindliche Natur von Quantensystemen stört.
Unsere Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch APL Quantum.
Was macht das so spannend?
Quantenthermische Transistoren könnten möglicherweise ihre Quantenverschränkung beibehalten – ein Schlüsselmerkmal, das es ihnen im Gegensatz zu klassischen Transistoren ermöglicht, miteinander zu „kommunizieren“, ohne dass Drähte oder physische Verbindungen erforderlich sind.
Dies öffnet die Tür zu einem völlig neuen Ansatz in der Elektronik und bei Kühlsystemen, bei dem sich Quantengeräte eines Tages möglicherweise selbst regulieren und so den Bedarf an externen Steuerungen verringern.
Die Zukunft: Kleinere, coolere und intelligentere Geräte
Da die Technologie immer kleiner und leistungsfähiger wird, besteht eine der größten Herausforderungen darin, mit der von diesen Hochleistungsgeräten erzeugten Wärme umzugehen. In Systemen wie Supercomputern kann eine Überhitzung die Leistung verlangsamen oder sogar zu Ausfällen führen. Der rückkopplungsfähige Quantenthermotransistor könnte das Wärmemanagement revolutionieren, indem er die Wärme effizient kontrolliert und gleichzeitig die Funktionalität des Systems steigert.
Auch wenn es wie etwas aus der Science-Fiction erscheinen mag, hat ein selbstregulierender Quantenthermotransistor tatsächlich das Potenzial, Energie effizienter zu verwalten. Angesichts der anhaltenden Durchbrüche scheint die Zukunft quantenthermischer Geräte rosig zu sein, und wir könnten bald erleben, wie diese futuristische Technologie in alltägliche Systeme integriert wird.
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Weitere Informationen:
Uthpala N. Ekanayake et al., Verbesserung von Quantenthermotransistoren durch rückkopplungsgesteuerte Bäder, APL Quantum (2024). DOI: 10.1063/5.0229630
Karl Joulain et al., Quantenthermotransistor, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2016). DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.200601
Bios:
Uthpala N. Ekanayake erwarb ihren B.Sc. 2019 erlangte sie ihren Abschluss in Elektrotechnik und Elektronik (mit erstklassiger Auszeichnung) an der Universität Peradeniya, Sri Lanka. Derzeit ist sie Doktorandin und Mitglied des Advanced Computing and Simulations Laboratory am Department of Electrical and Computer Systems Engineering der Monash University , Australien unter der Leitung von Prof. Malin Premaratne.
Sarath D. Gunapala erhielt einen Ph.D. 1986 schloss er sein Studium der Physik an der University of Pittsburgh, Pittsburgh, PA, USA, ab. 1992 wechselte er zum Jet Propulsion Laboratory der NASA am California Institute of Technology in Pasadena, CA, USA, wo er derzeit Direktor des Zentrums für Infrarot ist Fotodetektoren. Er ist außerdem leitender Forschungswissenschaftler und leitendes Mitglied des technischen Personals des NASA Jet Propulsion Laboratory.
Malin Premaratne erwarb mehrere Abschlüsse an der University of Melbourne, darunter einen B.Sc. in Mathematik, einen BE in Elektrotechnik und Elektronik (mit erstklassiger Auszeichnung) und einen Ph.D. in den Jahren 1995, 1995 und 1998. Derzeit ist er ordentlicher Professor an der Monash University Clayton, Australien. Seine Fachkenntnisse konzentrieren sich auf die Theorie, Simulation und das Design von Quantengeräten unter Nutzung der Prinzipien der Quantenelektrodynamik.