新开发单量子点调温阀可防止量子计算机过热

虽然世界各地的许多研究团队都在努力开发高性能的量子计算机，但有些团队正在开发控制内部热流的工具。就像传统的计算机一样，量子计算机在运行时会显著发热，最终可能会损坏设备及其环境。

法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学(University Grenoble Alpes)和芬兰卓越中心量子技术( Centre of Excellence—Quantum Technology)的研究人员最近开发了一种单量子点调温阀(single-quantum-dot heat valve)，这种装置可以帮助控制单量子点结中的热流，防止量子计算机过热。

研究成果已发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

随着电子元件的小型化，纳米尺度上过多的热量已经成为一个越来越突出且需要解决的问题，温度的升高通常会导致量子特性的退化。

该研究的一个关键目标是证明控制流经量子点结的热量的可行性，同时也使一定量的电流能够流动。为了设计单量子点调温阀，研究人员在两个金属触点之间放置了一个金纳米粒子，将其用作连接点。

这种纳米粒子非常小，可以用来干涉单个能级，就像一个更大的人造原子可以干涉几个能级一样。

在正常情况下，只有当量子点的能级与触点中电子的能量共振时，能量交换才可能发生。然而，在这一装置中，触点的存在通过拓宽人造原子的能级改变了它的性质。

这种效应是研究的热阀效应的核心，这种拓宽相当于创造了虚拟态，而这种虚拟态是通常无法达到的，通过携带能量和产生热阀效应，允许电子从一个触点流向另一个触点。

在较大的(宏观)导体中，研究人员已经确定了它们传导电荷的能力和传导热量的能力之间简单而普遍的关系。这种关系由一种被称为威德曼-弗朗茨定律的理论构造所概括。

然而，在量子设备中，由于电荷和能量的量子化，导致威德曼-弗朗兹定律不能适用。

研究人员必须克服许多技术挑战。例如，他们必须确定一种策略来测量量子设备内部的局部温度(和温差)。最终，能够收集这些测量结果也成为了研究的最大成就之一，从而更好地理解量子设备内部的热量是如何管理的。

研究人员评价其工作“让我们更好地了解了热量是如何产生的，以及如何在量子设备中将其排出。”

将来，由这组研究人员开发的热阀可以提高量子器件的可靠性和安全性，降低过热的风险。在下一项研究中，研究人员想设计策略来测量随时间推移的耗散，即计划研究单个基本量子耗散过程，比如单个电子的隧穿或量子力学相位的单个2π滑移，而不是关注量子设备的稳态加热。

研究人员称，未来的研究有许多可能的方向，目前正在寻找结构更复杂的连接，看看它们在可操作性范围方面是否有一些优势。另一个吸引人的可能性是实现对热流的时间分辨控制，从而允许从热电子应用的角度进行实时操作。

原文链接：https://phys.org/news/2021-01-single-quantum-dot-valve.html

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.237701

（来源：前瞻网）

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