Известно, что лазеры могут охлаждать отдельные атомы благодаря тому, что фотоны лазерного излучения когерентны, т.е. синхронизированы и упорядочены. Но, как оказалось, сходный эффект может давать и некогерентное излучение. В соответствии с двумя теоретическими работами, некогерентное излучение от солнца или полупроводникового светодиода может охладить небольшой объект. Работы основаны на различных принципах: в первом случае тепловая энергия уносится электронами, а во втором – тепло излучается через световые волны. Обе схемы охлаждения работают благодаря энергетическим уровням индивидуальных квантовых систем. Подобная «холодильная установка» может решить проблему охлаждения при строительстве квантового компьютера.

Идея охлаждения с помощью тепла не нова. К примеру, абсорбционная холодильная установка использует источник тепла для запуска и поддержания цикла испарения-конденсации, похожего на тот, что реализован в обычном бытовом холодильнике. Теоретически в качестве этого источника тепла может использоваться и свет, однако при такой схеме мощность охлаждения получается не высокой.

Более высокой производительности можно добиться, если облако атомов или другие небольшие объекты при температуре около абсолютного нуля охлаждаются при помощи лазерного луча. Но в идеале ученые хотели бы работать с более крупными объектами, например, острием атомно-силового микроскопа.

Чтобы продвинуться дальше в этом направлении, многие теоретические работы, опубликованные в последнее время, изучали вопросы применимости термодинамических понятий, таких как теплота и работа, на квантовом уровне. Эти публикации показывают, что

квантовые двигатели и холодильные установки могут иметь значительное преимущество по сравнению с классическими аналогами, поскольку квантовые частицы могут находиться только в строго определенных энергетических состояниях. Но до сих пор на практике подобные машины не реализовывались, поскольку далеко не все из предложенных на сегодняшний день конструкций могут быть воссозданы.

Группа ученых из Hasselt University (Бельгия) предложила еще одну конструкцию, которая может быть легко реализована на практике. Они предположили, что

система охлаждения может работать на солнечном свете.

В их схеме твердый охлаждаемый объект (металлический электрод) соединен с теплым объектом (другим электродом). При этом ток между электродами может проходить только через пару квантовых точек, представляющих собой фрагменты полупроводника на непроводящей поверхности. Каждая такая точка функционирует как атом, который может принять один электрон на один из двух своих энергетических уровней. В своей теоретической работе команда предполагает, что за счет регулирования положения этих уровней можно обеспечить прохождение потока «холодных» электронов только от теплого электрона к холодному, а потока горячих электронов – только в обратном направлении.

Команда предлагает воспринимать этот процесс, как «испарение электрона с холодного объекта с его конденсацией с теплом». Для запуска и поддержания этих «противоположных потоков», необходим мощный источник излучения (например, солнце).

Исследователи из Free University (Берлин) предлагают иную схему. Предыдущие эксперименты показали, что

лазерное излучение может охладить небольшое зеркало, которое является частью оптико-механического устройства.

В рамках этих экспериментов зеркало закреплялось таким образом, что сохранялась возможность его вибрации. При этом оно находилось напротив другого полупрозрачного зеркала. Лазерный луч вызывал сильное взаимодействие двух зеркал, и оно приводило к тому, что колебательная энергия первого зеркала преобразовывалась в световое излучение (т.е. зеркало охлаждалось). В своей новой работе ученые утверждают, что

в этом эксперименте можно отказаться от использования лазера. По их мнению, для охлаждения зеркала может использоваться простой светодиод.

Обе опубликованные работы приближают научный мир к практической реализации подобных «квантовых охладителей». Хотя коллеги ученых считают, что для подобных технологий пока не пришло время.