در فیزیک دماها، نقطهای وجود دارد که در آن حرکت حرارتی اتمها تقریباً متوقف میشود؛ همان مرزی که به عنوان صفر مطلق (273.15- درجه سانتیگراد) شناخته میشود. رسیدن به این نقطه روی کاغذ ساده است، اما در دنیای واقعی یکی از چالشبرانگیزترین مأموریتهای علمی بشر است. در قرن بیستم، این موضوع بیشتر یک کنجکاوی علمی بود؛ اما امروز، در عصر محاسبات کوانتومی، رسیدن به نزدیک صفر مطلق دیگر فقط یک آزمایش پژوهشی نیست، بلکه پایه و اساس عملکرد کیوبیتها محسوب میشود.
فناوریهای نسل جدید مانند رایانههای کوانتومی، حسگرهای فوقحساس، سامانههای تصویربرداری بسیار دقیق و آشکارسازهای فوتونی، همگی وابسته به یک ماده هستند: هلیوم مایع؛ تنها سیالی که میتواند چنین دماهای عمیقاً پایین را پایدار، قابل کنترل و قابل انتقال کند. این مقاله به بررسی نقشی میپردازد که هلیوم مایع در تحقق این دماهای فوقسرد و کاربردهای آن در صنعت رایانش کوانتومی دارد.
از هلیوم گازی تا هلیوم مایع: داستان یک گذار علمی شگفتانگیز
هلیوم به دلیل ویژگیهای اتمیاش—مولکول تکاتمی، جرم اتمی بسیار پایین و انرژیهای برهمکنشی حداقلی—یکی از عجیبترین عناصر جدول تناوبی است. زمانی که سایر گازها در دماهای پایینتر به حالت جامد یا مایع تبدیل میشوند، هلیوم همچنان آزاد باقی میماند و تنها در شرایط بسیار خاص و در فشار محیط، در دمای 4.2 کلوین (~268- درجه سانتیگراد)، به حالت مایع درمیآید. این نقطه آغاز دنیای خارقالعادهای است که در آن مواد رفتاری متفاوت از تصور روزمره نشان میدهند.
هلیوم مایع را میتوان تا دمای 1 کلوین و حتی چند میلیکلوین به کمک سیستمهای رقیقساز (dilution refrigerators) پایین آورد. این محدوده دمایی دقیقاً همان چیزی است که برای کارکرد پایدار سیستمهای کوانتومی، قطعات حساس مغناطیسی و مدارهای ابررسانا ضروری است. بدون این انتقال حالت از گاز به مایع، بشر هیچگاه امکان دستیابی به این مقیاس دمایی را نداشت.
چرا محاسبات کوانتومی به صفر مطلق نزدیک میشود؟ تحلیل دقیق نیاز دمایی کیوبیتها
کیوبیتها—واحد پایه یک کامپیوتر کوانتومی—با بیتهای کلاسیک تفاوتی بنیادین دارند. آنها میتوانند همزمان در چندین حالت باشند، برهمنهی (superposition) را حفظ کنند و درگیر پدیده درهمتنیدگی (entanglement) شوند. اما این ویژگیها بسیار شکنندهاند و کوچکترین ارتعاش حرارتی یا تحریک الکترونی باعث فروپاشی آنها میشود.
برای اینکه کیوبیت بتواند یک محاسبه پایدار و قابلاعتماد انجام دهد، باید نویز حرارتی تقریباً صفر باشد—یا حداقل تا حد ممکن نزدیک به صفر مطلق. حتی دمایی معادل 3 یا 4 کلوین میتواند خطاهای کوانتومی را چند برابر کند.
به همین دلیل اغلب رایانههای کوانتومی امروزی، بهویژه سیستمهای ابررسانای گوگل، IBM و Rigetti، در دماهایی حدود 10 تا 20 میلیکلوین کار میکنند؛ دمایی که تنها با استفاده از هلیوم-۳، هلیوم-۴ و چرخههای رقیقسازی قابل دستیابی است. بدون این شرایط، فرایند کوانتومی پایدار تشکیل نمیشود، زمان انسجام (coherence time) کوتاه میشود و دستگاه عملاً نمیتواند محاسبهای انجام دهد.
درواقع میتوان گفت: محاسبات کوانتومی نه با سیلیکون، نه با برق، بلکه با دما کار میکند—دمایی که فقط هلیوم مایع قادر به فراهم کردن آن است.
معماری یک رایانه کوانتومی و نقش هلیوم مایع در هر مرحله
برای درک بهتر اهمیت هلیوم مایع، لازم است به درون سختافزار یک سیستم کوانتومی نگاه کنیم. این سیستم شامل بخشهایی چون موتور کنترل، بخش خوانش، مدارهای ابررسانا (SQUIDs)، کابلهای انتقال مایکروویو و یک ساختار فرود دمایی (cold stage) است.
در بخش فوقانی، سیگنالها در دمای اتاق پردازش میشوند. در مراحل پایینتر، با کمک چندین لایه سرمایش، دما از 300 کلوین به 4 کلوین، سپس به 1 کلوین و در نهایت به میلیکلوین میرسد. هر مرحله نیازمند سیالهایی است که تغییرات دقیق دما را تامین کنند و در برابر انتقال حرارتی ناگهانی مقاوم باشند.
هلیوم مایع در این معماری نقشهای زیر را برعهده دارد:
انتقال حرارتی فوقالعاده سریع برای حذف نویز حرارتی
دمای پایدار و یکنواخت برای جلوگیری از برهمخوردن حالت کیوبیت
قابلیت استفاده در چرخه مداوم رقیقسازی برای رسیدن به میلیکلوین
عدم ایجاد واکنش شیمیایی با فلزات و آلیاژهای ابررسانا
قابلیت استفاده در محیطهای بسته و کپسولهای ایزوله
در حقیقت بدون هلیوم مایع، هیچ معماری کوانتومی قابل اجرا نبود؛ زیرا حتی بهترین مواد ابررسانا نیز در دماهای بالاتر از چند ده میلیکلوین عملکرد خود را از دست میدهند.
هلیوم-۳ و هلیوم-۴: دو قهرمان پنهان در مسیر رسیدن به دماهای زیر میلیکلوین
هلیوم دارای دو ایزوتوپ پایدار است: هلیوم-۴ فراوان و تجاری، و هلیوم-۳ کمیاب و بسیار گران. هرکدام در بخش خاصی از چرخه سرمایش نقش دارند.
هلیوم-۴
نقطه جوش: 4.2 K
مناسب برای مرحله پیشسرمایش
استفاده در بسیاری از سیستمهای کرایوژنیک صنعتی
هلیوم-۳
نقطه جوش: 3.2 K
در چرخه رقیقسازی با هلیوم-۴، میتواند دما را تا 10 میلیکلوین کاهش دهد
بسیار کمیاب (بهدستآمده از فروپاشی تریتیوم)
قیمت بالا و نیازمند مدیریت دقیق در سیستمهای بسته
چرخه رقیقسازی (Dilution Refrigeration) که امروز ستون فقرات تمام کامپیوترهای کوانتومی است، بدون هلیوم-۳ عملاً غیرممکن میشود.
کپسولهسازی دماهای فوقسرد: چطور صفر مطلق را در یک سیلندر کوچک نگه میدارند؟
ذخیرهسازی هلیوم مایع یک چالش مهندسی بزرگ است. رساندن یک ماده به چند درجه بالاتر از صفر مطلق و سپس نگهداشتن آن در یک کپسول، نیازمند طراحیهای پیچیدهای مانند دوپوششی (double-walled)، خلأ عمیق، جداکنندههای حرارتی چندلایه (MLI)، سوپاپهای فشار ویژه و مواد با هدایت حرارتی کنترلشده است.
کپسولهای نگهداری هلیوم مایع معمولاً از نوع دیوارد (Dewar) هستند و مشابه فلاسک های ترمسی عمل میکنند، اما با دقت و مهندسی بسیار ظریفتر. در این کپسولها هر عاملی از جمله رسانش، جابهجایی و تابش حرارتی کنترل میشود. حتی جریان گرمایی ناشی از دستزدن انسان نیز میتواند تبخیر هلیوم را افزایش دهد.
هدف اصلی این کپسولها ایجاد شرایطی است که هلیوم تا حد ممکن لُس نرود (low boil-off loss) و دمای داخلی پایدار بماند. در صنعت کوانتوم، این یعنی حفظ شرایط کارکرد سیستم در طول شبانهروز بدون نوسان دما، که عامل اصلی پایداری عملیات کوانتومی است.
چالشهای جهانی تأمین هلیوم مایع در عصر انفجار تقاضای کوانتوم
یکی از مسائل مهم امروز صنایع پیشرفته، کمبود هلیوم در جهان است. منابع طبیعی هلیوم عمدتاً از گاز طبیعی استخراج میشود و فقط چند کشور (مانند آمریکا و قطر) منابع عمده تولید دارند. با رشد سریع صنعت کوانتوم، تصویربرداری MRI، صنایع فضایی و آشکارسازهای علمی، تقاضا برای هلیوم افزایش یافته است.
چالشها شامل:
کاهش ذخایر جهانی هلیوم
افزایش قیمت هلیوم-۳
نیاز به سیستمهای بسته برای بازیافت
پیچیدگی حملونقل در دمای فوقپایین
نیاز به تجهیزات ایمن و استاندارد برای جلوگیری از تبخیر
به همین دلیل تولیدکنندگان تجهیزات کوانتومی بهصورت جدی به سمت بازیافت هلیوم حرکت کردهاند و کارخانهها سیستمهای ویژه بازچرخانی را در خط تولید خود قرار میدهند.
آیندهای که در آن هلیوم مایع، سوخت اصلی فناوری خواهد بود
با افزایش تعداد کیوبیتها در رایانههای کوانتومی، نیاز به دمای پایینتر، حجم بیشتر و پایداری بالاتر افزایش مییابد. بسیاری از پژوهشها در حال تلاش برای جایگزینی سیستمهای بر پایه هلیوم هستند، اما هنوز هیچ ماده یا فناوریای نتوانسته عملکرد مشابهی را فراهم کند.
پیشبینی میشود در دهه آینده، صنعت کرایوجنیک مبتنی بر هلیوم مایع به یکی از رکنهای اصلی فناوری جهان تبدیل شود. این ماده نهتنها برای محاسبات کوانتومی، بلکه برای فضاپیماها، تلسکوپهای مادونقرمز، آشکارسازهای ذرات و تجهیزات پزشکی پیشرفته کاملاً حیاتی خواهد بود.
میتوان گفت: هلیوم مایع همان زیرساخت نامرئی انقلاب کوانتومی است.
هلیوم مایع یکی از بینظیرترین مواد روی زمین است که توانایی رساندن دما به نزدیکی صفر مطلق را دارد. این قابلیت باعث شده که نقش بیبدیلی در محاسبات کوانتومی امروز داشته باشد. کیوبیتها برای حفظ حالت کوانتومی خود به دماهای میلیکلوینی نیاز دارند و تنها با کمک چرخههای رقیقسازی مبتنی بر هلیوم میتوان چنین دماهایی را ایجاد و نگهداری کرد. در نتیجه، در کپسولهای کوچک هلیوم، آینده فناوری بشر ذخیره شده است.
بدون دیدگاه