Для повышения эффективности вычислений в квантовом компьютере требуется снижение температуры его кубитов. Достижение абсолютного нуля сопряжено с возрастающей сложностью охлаждения: каждый милликельвин требует все больших усилий со стороны ученых. В связи с этим, группа исследователей разработала принципиально новый тип холодильника, предназначенного для квантовых компьютеров, который способен функционировать самостоятельно после первоначального запуска.
Квантовые компьютеры способны коренным образом изменить медицину, энергетику, шифрование, искусственный интеллект и логистику. В классических компьютерах основными элементами обработки информации являются биты, которые могут представлять значения 0 или 1. В квантовых компьютерах вместо битов используются кубиты, способные одновременно принимать значения 0 и 1.
Это явление известно как суперпозиция. Она позволяет квантовым компьютерам проводить вычисления значительно быстрее, чем классическим. Однако квантовые компьютеры сталкиваются с тратить много времени на проверку и исправление ошибок вычислений.
«Кубиты, являющиеся основными элементами квантового компьютера, крайне чувствительны к внешним воздействиям. Даже незначительные электромагнитные помехи, проникающие в систему, способны случайным образом изменять состояние кубита, что приводит к ошибкам и препятствует проведению квантовых вычислений», — отметил Аамир Али ( Aamir Ali), главный автор нового исследования.
Для выполнения вычислений квантовые компьютеры требуют охлаждения до как можно более близких к абсолютному нулю температур, ноля градусов Кельвина, минус 273,15 градуса Цельсия. Создать для квантовой системы такой холодильник — сложная инженерно-физическая задача, во многом именно системы охлаждения — лимитирующий фактор для распространения и повсеместного использования квантовых компьютеров.
Для поддержания необходимой температуры квантовых компьютеров применяются холодильники, использующие разведение гелия. Данные системы позволяют снизить температуру кубитов до приблизительно 50 милликельвинов (минус 273,1 градуса Цельсия). По мере приближения к абсолютному нулю становится все труднее продолжать процесс охлаждения.
Ученые из Технического университета Чалмерса (Швеция) и Университета Мэриленда (США) создали принципиально новый холодильник, способный поддерживать сверхпроводящие кубиты при беспрецедентно низких температурах без внешнего электропитания. Опубликована статья, посвященная этому новому типу холодильника опубликована в журнале Nature Physics.
Новая разработка – квантовый холодильник – способен охлаждать целевой кубит до температуры 22 милликельвинов без необходимости внешнего управления. Разработанная физиками система основана на взаимодействиях между кубитами, включая целевой кубит, предназначенный для охлаждения, и два кубита, используемые в качестве охладителей. Для работы рядом с одним из кубитов создается теплая среда, выполняющая роль горячей тепловой ванны: она передает энергию одному из сверхпроводящих кубитов квантового холодильника, делает его теплым и приводит холодильник в действие.
«Тепловая энергия, передаваемая от теплого кубита квантового холодильника, переносит тепло от целевого кубита к холодному кубиту. Затем холодный кубит холодильника охлаждается до температуры окружающей среды, находящейся за пределами тепловой ванны. Холодный кубит холодильника отдает тепло целевому кубиту», — объяснила Николь Юнжер Халперн ( Nicole Yunger Halpern), профессор физики в Университете Мэриленда (США).
Система функционирует автономно: после активации она работает без внешнего управления, используя тепловую энергию, возникающую благодаря разнице температур между двумя тепловыми зонами.
Благодаря разработанному методу ученым удалось увеличить вероятность состояния кубита будет находиться в основном состоянии перед вычислением, до 99,97 процента. Ранее существующие методы давали вероятность этого показателя в пределах от 99,8 до 99,92 процента. При выполнении множества вычислений эта разница вероятностей складывается в значительное увеличение производительности и эффективности квантовых компьютеров.