要进行量子计算，量子比特（量子位）必须冷却到毫开尔文范围（接近-273摄氏度）的温度，以减缓原子运动并将噪声降至最低。然而，用于管理这些量子电路的电子器件会产生热量，在如此低的温度下很难去除。因此，大多数当前的技术都必须将量子电路与其电子组件分离，这会导致噪音和低效率，阻碍实验室以外更大量子系统的实现。
由Andras Kis领导的EPFL纳米电子与结构实验室（LANES）的研究人员现在已经制造出一种设备，该设备不仅在极低的温度下工作，而且在室温下的效率与当前的技术相当。该成果已发表在《自然·纳米技术》杂志上。
LANES博士生Gabriele Pasquale说：“我们是第一个创造出一种与当前技术的转换效率相匹配的设备，但它能在量子系统所需的低磁场和超低温下工作。这项工作确实向前迈出了一步。”
该创新器件将石墨烯的优异导电性与硒化铟的半导体特性相结合。它只有几个原子厚，表现得像一个二维物体，这种材料和结构的新颖组合产生了前所未有的性能。
该设备利用了能斯特效应：一种复杂的热电现象，当磁场垂直于温度变化的物体时，会产生电压。实验室设备的2D特性允许以电气方式控制该机构的效率。
2D结构是在EPFL微纳技术中心和LANES实验室制造的。实验包括使用激光作为热源，使用专门的稀释冰箱达到100毫开尔文，这一温度甚至比外太空还要低。
在如此低的温度下将热量转换为电压通常极具挑战性，但新型器件及其对能斯特效应的利用使这成为可能，填补了量子技术的一个关键空白。
“如果你把笔记本电脑放在寒冷的办公室里，笔记本电脑在工作时仍然会发热，导致房间的温度也会升高。在量子计算系统中，目前没有任何机制可以防止这种热量干扰量子位。我们的设备可以提供这种必要的冷却，”Pasquale说。
Pasquale是一名受过训练的物理学家，他强调这项研究意义重大，因为它揭示了低温下的热电能转换——这是一种迄今为止尚未探索的现象。考虑到高转换效率和潜在可制造电子元件的使用，LANES团队还认为他们的设备已经可以集成到现有的低温量子电路中。
Pasquale说：“这些发现代表了纳米技术的重大进步，有望开发出对毫开尔文温度下的量子计算至关重要的先进冷却技术。”。“我们相信，这一成就将彻底改变未来技术的冷却系统。”
Pasquale, G., et al. (2024) Electrically tunable giant Nernst effect in two-dimensional van der Waals heterostructures. Nature Nanotechnology.doi.org/10.1038/s41565-024-01717-y.
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