雖然世界各地的許多研究團隊都在努力開發高性能的量子計算機，但有些團隊正在開發控制內部熱流的工具。就像傳統的計算機一樣，量子計算機在運行時會顯著發熱，最終可能會損壞設備及其環境。
法國格勒諾布爾阿爾卑斯大學(University Grenoble Alpes)和芬蘭卓越中心量子技術( Centre of Excellence—Quantum Technology)的研究人員最近開發了一種單量子點調温閥(single-quantum-dot heat valve)，這種裝置可以幫助控制單量子點結中的熱流，防止量子計算機過熱。
研究成果已發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。
隨着電子元件的小型化，納米尺度上過多的熱量已經成為一個越來越突出且需要解決的問題，温度的升高通常會導致量子特性的退化。
該研究的一個關鍵目標是證明控制流經量子點結的熱量的可行性，同時也使一定量的電流能夠流動。為了設計單量子點調温閥，研究人員在兩個金屬觸點之間放置了一個金納米粒子，將其用作連接點。
這種納米粒子非常小，可以用來干涉單個能級，就像一個更大的人造原子可以干涉幾個能級一樣。
在正常情況下，只有當量子點的能級與觸點中電子的能量共振時，能量交換才可能發生。然而，在這一裝置中，觸點的存在通過拓寬人造原子的能級改變了它的性質。
這種效應是研究的熱閥效應的核心，這種拓寬相當於創造了虛擬態，而這種虛擬態是通常無法達到的，通過攜帶能量和產生熱閥效應，允許電子從一個觸點流向另一個觸點。
在較大的(宏觀)導體中，研究人員已經確定了它們傳導電荷的能力和傳導熱量的能力之間簡單而普遍的關係。這種關係由一種被稱為威德曼-弗朗茨定律的理論構造所概括。
然而，在量子設備中，由於電荷和能量的量子化，導致威德曼-弗朗茲定律不能適用。
研究人員必須克服許多技術挑戰。例如，他們必須確定一種策略來測量量子設備內部的局部温度(和温差)。最終，能夠收集這些測量結果也成為了研究的最大成就之一，從而更好地理解量子設備內部的熱量是如何管理的。
研究人員評價其工作“讓我們更好地瞭解了熱量是如何產生的，以及如何在量子設備中將其排出。”
將來，由這組研究人員開發的熱閥可以提高量子器件的可靠性和安全性，降低過熱的風險。在下一項研究中，研究人員想設計策略來測量隨時間推移的耗散，即計劃研究單個基本量子耗散過程，比如單個電子的隧穿或量子力學相位的單個2π滑移，而不是關注量子設備的穩態加熱。
研究人員稱，未來的研究有許多可能的方向，目前正在尋找結構更復雜的連接，看看它們在可操作性範圍方面是否有一些優勢。另一個吸引人的可能性是實現對熱流的時間分辨控制，從而允許從熱電子應用的角度進行實時操作。
編譯/前瞻經濟學人APP資訊組
原文鏈接:
https://phys.org/news/2021-01-single-quantum-dot-valve.html
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.237701