量子コンピュータのハードウェア
10 mKの段から1 µWの熱を汲み出して300 Kに捨てるとき、カルノーの限界で必要な最小の仕事率に最も近いものはどれか。
- A約1 µW
- B約30 mW
- C約30 W
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正解：B. 約30 mW
カルノーの冷凍機では、必要な仕事率は W = Q × (T_H − T_C)/T_C = 1 µW × (300 − 0.01)/0.01 ≈ 30 mW です。同じ1 µWでも4 Kの段なら約74 µWで済み、低い温度の段ほど熱を取り除くのが桁違いに高くつきます。実際の希釈冷凍機の最も冷たい段の冷却能力は、20 mK付近で十数〜数十 µW程度が目安で、4 Kの段(1 W程度)よりはるかに小さいので、配線からの熱の流入や回路の発熱は、できるだけ温度の高い段で処理します。このため、制御用の回路を極低温に置く場合も、多くは4 K前後の段に置かれます。
- A. 汲み出す熱と仕事を等しいとした値です。低温から熱を汲み出すには、温度の比に応じた大きな仕事が必要です。
- B. 正しい。1 µW × (300 − 0.01)/0.01 ≈ 30 mW です。
- C. 1 µWを1 mWと取り違えた場合の値です。