想象一下，如果冰箱冷到可以把原子变成它们的量子态，给它们带来违背经典物理学规则的独特性质。
发表在应用物理评论，罗切斯特大学物理学教授安德鲁·乔丹和他的研究生斯里纳特·曼尼坎丹，以及他们的同事，来自国家纳米科学研究所cnr和意大利高等师范学院的弗朗西斯科·贾佐托，已经构想出了这样一种冰箱的想法，可以将原子冷却到接近绝对零度的温度(大约零下459华氏度)。科学家们可以利用这种基于超导量子特性的冰箱，促进和提高用于超快量子计算机的量子传感器或电路的性能。
超导是什么?
一种材料导电的好坏称为导电性。当一种材料具有高导电性时，它很容易让电流通过它。例如，金属是良导体，而木头或包裹在金属线周围的屏蔽层是绝缘体。但是，尽管金属线是良导体，它们仍然会由于摩擦而遇到阻力。
在理想的情况下，一种材料可以不遇到电阻就能导电;也就是说，它可以无限期地输送电流而不损失任何能量。这正是超导体所发生的情况。
曼尼坎丹说:“当你将一个系统冷却到极端温度时，电子进入量子态，在那里它们的行为更像一种无阻力流动的集体流体。”“这是通过超导体中的电子在非常低的温度下形成成对的铜对来实现的。”
研究人员认为，如果温度足够低，所有的金属都可以成为超导体，但每种金属都有其电阻消失的“临界温度”。
乔丹说:“当你达到这个神奇的温度时——这不是一个渐进的过程，而是一个突然的过程——电阻就像石头一样突然下降到零，然后就会发生相变。”“据我所知，目前还没有一个实用的超导冰箱。”
与传统冰箱相似
超导量子制冷机利用超导原理运行并产生超冷环境。因此，寒冷的环境有利于产生增强量子技术所需的量子效应。超导量子冰箱将创造一种环境，研究人员可以借此将材料转变为超导状态，类似于将材料转变为气体、液体或固体。
乔丹说，虽然超导量子冰箱不能用于个人厨房，但其工作原理与传统冰箱相当相似。“你的厨房冰箱和我们的超导冰箱有一个共同点，那就是它使用相变来获得冷却能量。”
如果你走进厨房，站在冰箱旁边，你会注意到它的内部是冷的，但背后是温暖的。传统的冰箱不是靠冷却食物来运转的，而是靠散热。它是通过将液体——制冷剂——在冷热储层之间移动，并将其状态从液体转变为气体来实现这一点的。
“冰箱不会凭空变冷，”乔丹说。“这是能量守恒的原理。热是一种能量，所以冰箱从太空的一个区域吸收热量，并把它带到另一个区域。”
在传统冰箱中，液态制冷剂通过一个膨胀阀。当液体膨胀时，它的压力和温度下降，因为它转变成气态。现在冷的制冷剂通过冰箱内部的蒸发器盘管，吸收冰箱内物品的热量。然后，它被电力驱动的压缩机再次压缩，进一步提高它的温度和压力，把它从气体变成热液体。冷凝的热液体，比外部环境更热，流经冰箱外部的冷凝器盘管，向环境辐射热量。然后液体再次进入膨胀阀，循环往复。
超导体冰箱与传统冰箱相似，它能在冷热储层之间移动材料。然而，金属中的电子不是由液态变为气态，而是由成对的超导状态变为未成对的正常状态。
曼尼坎丹说:“我们正在做的事情与传统冰箱完全相同，但使用的是超导体。”
超导量子制冷机的内部工作原理
在超导量子冰箱中，研究人员将一层金属放在一个已经很冷的低温稀释冰箱中:
堆栈的底层是一层超导体铌，充当热储层，类似于传统冰箱外的环境
中间层是超导体钽，它是工作物质，类似于传统冰箱中的制冷剂
最上面一层是铜，是冷藏库，类似于传统冰箱的内部
当研究人员缓慢地对铌施加电流时，就会产生一个穿透中间钽层的磁场，导致其超导电子解对，过渡到正常状态，并冷却下来。现在冷的钽层从现在热的铜层吸收热量。然后，研究人员慢慢关闭磁场，使钽中的电子配对并转变回超导状态，钽变得比铌层更热。多余的热量转移到铌上。循环重复，保持顶部铜层的低温。
这种制冷剂与传统冰箱中的制冷剂类似，它由膨胀成气体的冷循环和压缩成流体的热循环过渡。但由于工作介质在量子超导体超导冰箱,“而是unpair的库伯对缓慢变冷时施加一个磁场在非常低的温度下,以当前最先进的冰箱为基线和冷却甚至更多,“Manikandan说。
当你用厨房冰箱储存牛奶和蔬菜时，研究人员会在超导量子冰箱里放些什么呢?
“你用厨房的冰箱来冷却食物，”乔丹说。“但这是一台超级超级冷的冰箱。”超导量子冰箱不是用来储存食物，而是用来储存量子计算机的基本单位——量子位元之类的东西，方法是把它们放在金属堆上。研究人员还可以用冰箱来冷却量子传感器，这种传感器测量光线非常有效，在研究恒星和其他星系方面非常有用，还可以用来在核磁共振机器上开发更有效的深层组织成像。
“想想这是如何运作的，真的很神奇。基本上就是把能量转化为转化热。”
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