Группа исследователей разработала квантовый «мини-холодильник», способный автономно охлаждать сверхпроводящие кубиты до рекордной температуры в 22 милликельвина. Новое устройство позволило сбросить температуру кубитов без необходимости контроля и достичь точности 99,97% по сравнению с 99,8% для обычных методов охлаждения.
Квантовые компьютеры способны оказать значительное влияние на широкий спектр областей, от медицины и энергетики до шифрования, искусственного интеллекта и материаловедения. Огромный потенциал квантовых компьютеров кроется в квантовой суперпозиции, которая позволяет выполнять чрезвычайно сложные вычисления. В то время как обычные биты могут принимать значение 0 или 1, квантовые биты (кубиты) могут существовать в квантовой суперпозиции состояний 0 и 1. Это означает, что они могут представлять взвешенную комбинацию 0 и 1 одновременно. Это свойство позволяет им хранить и обрабатывать экспоненциально более богатую информацию.
Однако практическое применение квантовых компьютеров пока ограничено из-за уязвимости кубитов к ошибкам. «Кубиты, строительные блоки квантового компьютера, чрезвычайно чувствительны к окружающей среде. Даже очень слабые электромагнитные помехи, проникающие в компьютер, могут случайным образом изменить значение кубита, что приведет к ошибкам и, следовательно, помешает квантовым вычислениям», — объясняет в пресс-релизе ведущий автор нового исследования Мохаммед Али Аамир из Технологического университета Чалмерса в Швеции.
Один из методов исправления ошибок в кубитах — охлаждение кубитов, чтобы они перешли в правильное состояние. Кубиты переходят в состояние декогеренции, когда они перегреваются и накапливают слишком много энергии. «Однако квантовые тепловые технологии остаются экспериментальной диковинкой, а не обычным практическим инструментом», — объясняют Али Аамир и его коллеги из Университета Мэриленда (США) в своем отчете, опубликованном вчера в журнале Nature Physics.
«Основные проблемы включают в себя контроль и охлаждение квантовых тепловых машин до температур, поддерживающих квантовые явления», — говорят исследователи. Для преодоления этих проблем команда предлагает автономную систему охлаждения, которая не только требует меньше аппаратных средств, чем традиционные методы, но и более эффективно сбрасывает кубиты.
Новый квантовый холодильник (квадратный чип в центре медного корпуса на изображении слева) основан на сверхпроводящих цепях. Изображение справа иллюстрирует принцип его работы: устройство, состоящее из двух кубитов — горячего и холодного, — охлаждает третий целевой кубит. Питаясь теплом от близлежащей горячей среды, квантовый холодильник автономно извлекает тепловую энергию из целевого кубита и сбрасывает ее в холодную среду. В результате целевой кубит достигает высококачественного основного состояния с минимальной ошибкой, готового к эффективным квантовым вычислениям.
Система, естественным образом питающаяся от окружающей среды
Многие квантовые компьютеры основаны на сверхпроводящих электрических цепях, нулевое сопротивление которых означает оптимальную сохранность информации. Однако, чтобы защитить кубиты от ошибок, их необходимо охладить до температуры, близкой к абсолютному нулю (ноль Кельвинов или -273,15 °C). Такая температура позволяет перевести их в состояние с наименьшей энергией, что является необходимым условием для начала вычислений.
Современные системы охлаждения, известные как разбавляющие холодильники, способны охладить кубиты примерно до 50 милликельвинов выше абсолютного нуля. Однако, согласно законам термодинамики, ни один конечный процесс не может охладить систему до абсолютного нуля. Следовательно, чем ближе система к абсолютному нулю, тем сложнее ее охладить дальше.
Устройство, предложенное командой Али Аамира, может дополнить разбавляющие холодильники, автономно охлаждая сверхпроводящие кубиты. Система использует взаимодействие между различными кубитами, в частности, целевым кубитом, который нужно охладить, и двумя другими, используемыми для охлаждения. Когда целевой кубит получает слишком много энергии, накопленное им тепло автоматически отводится на два других кубита, что позволяет сбросить его. Горячая среда помещается рядом с одним из сверхпроводящих охлаждаемых кубитов и снабжает его энергией для отвода тепла.
«Энергия из горячей среды, проходящая через один из двух кубитов в квантовом холодильнике, перекачивает тепло от целевого кубита ко второму кубиту в квантовом холодильнике, который является холодным. Этот холодный кубит термализуется в холодной среде, в которую в итоге сбрасывается тепло от целевого кубита», — объясняет Николь Юнгер Халперн из Университета Мэриленда, соавтор исследования.
Система полностью автономна, поскольку после запуска она работает без какого-либо внешнего управления и питается теплом, которое возникает естественным образом из-за разницы температур между двумя термальными ваннами. Также не требуется капитальный ремонт квантового компьютера или подключение новых проводов. «Это открывает путь к более надежным, безошибочным квантовым вычислениям, которые требуют меньше аппаратной инфраструктуры», — говорит Али Аамир.
Принципиальная схема и диаграмма уровней квантового поглощающего холодильника. a. Концептуальная схема с тремя кубитами. b. Ложноцветная микрофотография устройства, реализованного с помощью сверхпроводящих цепей. c. Диаграмма уровней, показывающая тензорные произведения энергии собственных состояний кубитов. d. Экспериментально наблюдаемые распределения частот переходов между кубитами.
Точность 99,97 %
Система охладила целевой кубит до температуры 22 милликельвина и достигла точности 99,97 %. Для сравнения, предыдущие методы охлаждения достигают точности от 99,8 до 99,92 %. «Это может показаться небольшой разницей, но при проведении нескольких расчетов она выливается в значительное улучшение производительности квантовых компьютеров», — говорит эксперт.
Эти результаты представляют собой доказательство концепции автономных квантовых тепловых технологий и открывают путь для экспериментов над многими другими смежными проектами, включая те, которые были предложены ранее, но так и не были реализованы из-за ограничений, которые теперь удалось преодолеть. К ним относятся автономные квантовые двигатели, автономные квантовые часы и квантовые компьютеры с автономными функциями, управляемыми разницей температур. В настоящее время команда изучает возможность продолжения этого эксперимента.
Читайте все последние новости технологии на New-Science.ru
