Два исследователя из Университета Нотр-Дам в сотрудничестве с южнокорейским Университетом Кюнг Хи недавно использовали квантовые вычисления для разработки нового прозрачного оконного покрытия, способного блокировать солнечное тепло. В результатах, опубликованных в журнале ACS Energy Levels, Тенгфей Луо (Tengfei Luo), семейный профессор энергетических исследований Дорини в Нотр-Дам, и постдокторант Сонгмин Ким (Seongmin Kim) совместно разработали слой прозрачного радиационного охладителя (TRC), который пропускает только внешний видимый свет, не повышая температуру в помещении, что позволяет сократить расходы на охлаждение зданий на треть от существующих тарифов. По данным Международного энергетического агентства, кондиционирование воздуха и электрические вентиляторы составляют 20 процентов затрат на электроэнергию в зданиях по всему миру - примерно 10 процентов потребления электроэнергии человеком.
Для определения абсолютно лучшей конфигурации материалов команда прибегла к машинному обучению и перспективной области квантовых вычислений. Хотя квантовые вычисления находятся на относительно ранних стадиях развития, они обладают огромным потенциалом благодаря своей способности значительно превосходить традиционные методы вычислений. В настоящее время даже самые передовые классические суперкомпьютеры опираются на двоичное состояние, представляющее информацию в виде 1 и 0, для выполнения всех своих вычислений, что означает, что существуют ограничения на то, чего они могут и не могут достичь. Квантовые вычисления, напротив, могут представлять информацию как 1, 0 или их комбинацию. Гипотетически это дает ученым огромное преимущество во многих областях, таких как моделирование естественных наук и исследования ядерного синтеза.
Для того чтобы конструкция TRC Луо и Кима работала должным образом, невероятно тонкие слои материалов должны были быть составлены точным образом для обеспечения оптимального снижения тепловыделения. В этом случае машинное обучение и квантовые вычисления объединились для тестирования моделей в течение долей секунды, анализируя практически все возможные смеси и комбинации материалов, чтобы найти наилучшую.
В результате на стеклянную основу толщиной 1,2 микрона наносится слой кремнезема, глинозема и оксида титана, который затем покрывается тем же полимером, который используется в контактных линзах. Впоследствии новая комбинация превзошла другие имеющиеся в настоящее время теплопоглощающие стеклянные покрытия. "Я думаю, что стратегия квантовых вычислений так же важна, как и сам материал", - сказал Луо во вчерашнем пресс-релизе Университета Нотр-Дам. "Используя этот подход, мы смогли найти лучший в своем классе материал, разработать радиационный охладитель и экспериментально доказать его охлаждающий эффект".
По мере продвижения вперед такие прозрачные теплопонижающие слои могут все чаще применяться в окнах и стеклянных конструкциях, чтобы помочь значительно снизить выбросы энергии, поскольку мир стремится предотвратить худшие возможные последствия изменения климата.