L’hélium liquide – grâce à la technologie cryogénique – est utilisé comme liquide de refroidissement depuis près d’un siècle dans la recherche et les applications nécessitant un froid extrême, depuis les équipements médicaux jusqu’à l’exploration de l’espace lointain.
Mais l’hélium est une ressource rare et la demande croissante pour son utilisation dans les industries de haute technologie. Cela est particulièrement vrai pour l’hélium-3, un isotope rare qui est plus efficace comme liquide de refroidissement dans des conditions extrêmes et provient principalement des ogives nucléaires vieillissantes.
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Poussée par la nécessité de trouver une alternative au système de refroidissement à base d’hélium, l’équipe internationale – dirigée par des chercheurs d’un laboratoire de l’Académie chinoise des sciences à Pékin – s’est mise à la recherche d’un matériau solide capable de réaliser de grands changements énergétiques en changeant son état.
Après des années d’expérimentation, ils ont découvert un matériau magnétique quantique à base de cobalt qui est « supersolide », c’est-à-dire qu’il a une structure solide mais se comporte également comme un fluide.
Mais les scientifiques ont déclaré qu’il avait également été observé un refroidissement en dessous de 1 Kelvin et qu’il pourrait potentiellement être utilisé pour atteindre des températures ultra-basses.
La température la plus basse possible en physique est de moins 273 degrés Celsius, ou 0 Kelvin (moins 459 Fahrenheit), selon la troisième loi de la thermodynamique. Les physiciens définissent les températures ultra-basses comme étant comprises entre 0 et 4,2 Kelvin, et c’est la plage nécessaire pour développer des technologies de pointe, notamment dans le domaine de l’informatique quantique.
“C’est vraiment une frontière émergente”, a déclaré Sun Peijie, professeur au Laboratoire national de physique de la matière condensée de Pékin au CAS et co-auteur correspondant de l’étude.
Il a déclaré que les scientifiques n’avaient vu que ces dernières années le potentiel de l’utilisation de l’état solide pour atteindre des températures ultra-froides, et que cette recherche n’était menée que par un petit nombre de scientifiques à travers le monde.
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Les résultats de l’équipe ont été publiés dans la revue à comité de lecture Nature le 11 janvier. La recherche a été menée par des scientifiques d’instituts tels que le laboratoire CAS, l’École de physique de l’Université de Beihang et le Centre de Jülich pour la science des neutrons de l’Institut Laue-Langevin en France.
“Cette étude montre que nous pouvons théoriquement atteindre des températures extrêmement basses sans compter sur l’hélium”, a déclaré Sun.
La pénurie d’hélium, en particulier d’hélium-3, constitue un défi pour la Chine alors qu’elle s’efforce de développer des technologies quantiques.
En 2022, 94 % de l’hélium chinois a été importé – la majeure partie du Qatar, suivi des États-Unis et de l’Australie.
Selon Sun, la Chine « ne possède pas du tout d’hélium-3 et dépend presque toujours de la Russie et des États-Unis » pour l’isotope.
Mais il a déclaré que les progrès de l’équipe de recherche ne devaient pas être surinterprétés et qu’ils ne pouvaient pas encore remplacer l’hélium. Il a déclaré qu’il en était encore à ses débuts et que le matériau présentait des limites, notamment le fait qu’il devrait être utilisé dans un environnement où la température était déjà d’environ 4 Kelvin.
L’ordinateur quantique Origin Wukong de Chine. Le pays a investi des ressources dans les technologies quantiques. Photo : vidéosurveillance
La plupart des machines quantiques, des ordinateurs aux satellites, utilisent des unités d’information de base appelées qubits, ou bits quantiques – comme les bits numériques utilisés dans l’informatique conventionnelle. Mais les qubits sont sensibles et facilement perturbés par la chaleur. Ils doivent donc être conservés à des températures extrêmement froides, proches de 0 Kelvin.
“Toutes les technologies quantiques, y compris les communications quantiques et l’informatique quantique, nécessitent presque invariablement un environnement ultra-froid”, a déclaré Sun.
Créer cet environnement ne peut être réalisé qu’avec un réfrigérateur à dilution – un équipement que la Chine a eu plus de difficulté à obtenir de l’étranger ces dernières années, selon Sun. Il a déclaré que cela avait « sérieusement étouffé le développement des technologies quantiques chinoises ».
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Pékin a fait du soutien à la production chinoise de cette technologie clé une priorité nationale et des investissements importants y ont déjà été consacrés. En octobre, Origin Quantum est devenue la dernière entreprise chinoise à annoncer qu’elle avait produit un réfrigérateur à dilution, selon un article du Science and Technology Daily officiel.
Sun a déclaré que l’équipe avait développé des dispositifs pour reproduire et appliquer leurs expériences dans certains environnements, mais a noté qu’il restait encore un long chemin à parcourir et des problèmes d’ingénierie à surmonter avant de pouvoir avoir des applications généralisées.
Il a déclaré que l’étude pourrait également être un point de départ pour des discussions et des recherches plus approfondies en physique fondamentale.
“Depuis un demi-siècle, on pense que les supersolides existent, et maintenant nous l’avons confirmé d’une manière ou d’une autre”, a déclaré Sun. “Les scientifiques pourraient être inspirés à rechercher de nouvelles preuves dans d’autres matériaux, ce qui pourrait à terme faire avancer la physique.”
2024-01-24 06:00:09
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