Исследователи создали квантовый «мини-холодильник», который может автономно понижать температуру сверхпроводящих кубитов до рекордных 22 милликельвин. Это устройство позволяет снизить температуру кубитов без постоянного контроля, достигая точности в 99,97% против 99,8% у традиционных методов охлаждения.
Квантовые вычислительные системы могут существенно повлиять на множество областей: медицину, энергетику, шифрование, искусственный интеллект и материаловедение. Их огромный потенциал обусловлен квантовой суперпозицией, позволяющей выполнять чрезвычайно сложные вычисления. В отличие от обычных битов, принимающих значения 0 или 1, квантовые биты (кубиты) могут существовать в квантовой суперпозиции состояний 0 и 1 одновременно, представляя взвешенную комбинацию этих значений. Это свойство позволяет хранить и обрабатывать экспоненциально больше информации.
Практическое использование квантовых компьютеров сдерживается чувствительностью кубитов к ошибкам. Кубиты, составляющие элементы квантового компьютера, обладают высокой чувствительностью к окружающей среде. Даже слабые электромагнитные помехи, проникающие в компьютер, могут случайным образом изменять состояние кубита, приводя к ошибкам и препятствуя выполнению квантовых вычислений. — поясняет ведущий автор нового исследования Мохаммед Али Аамир из Технологического университета Чалмерса в Швеции, как сказано в пресс-релизе.
Одним из способов исправлять ошибки в кубитах является их охлаждение до правильного состояния. Кубиты теряют корреляцию, когда перегреваются и накапливают большое количество энергии. Квантовые тепловые технологии пока что остаются скорее необычной находкой, чем распространенным рабочим инструментом. «— объясняют Али Аамир и соавторы из Университета Мэриленда в докладе, опубликованном вчера в журнале,» .
«Проблемы связаны с контролем и охлаждением квантовых тепловых машин до температур, необходимых для поддержания квантовых явлений. Автономная система охлаждения, потребляющая меньше ресурсов и эффективнее сбрасывающая кубиты, предложена исследователями как решение этих проблем.
Система, получающая питание из окружающего мира.
Многие квантовые компьютеры используют сверхпроводящие электрические цепи, потому что нулевое сопротивление гарантирует наилучшую защиту информации. Для защиты кубитов от ошибок их охлаждают до температуры, приближающейся к абсолютному нулю (-273,15 °C).
Новые системы охлаждения, называемые разбавляющими холодильниками, способны снизить температуру кубитов почти до 50 милликельвинов выше абсолютного нуля. Но по законам термодинамики ни один процесс не может полностью охладить систему до нуля. Поэтому чем ближе система к абсолютному нулю, тем труднее ее еще больше охладить.
Предложенное командой Али Аамира устройство может дополнить существующие холодильники, автономно охлаждая сверхпроводящие кубиты. Система работает за счет взаимодействия между различными кубитами: целевым, который нужно охладить, и двумя другими, используемыми для охлаждения. Когда целевой кубит получает слишком много энергии, накопленное тепло автоматически переходит на два других кубита, что позволяет ему остыть. Вместе с горячей средой, которая снабжает энергией один из сверхпроводящих охлаждаемых кубитов, происходит отвод тепла.
«Горячая среда передаёт энергию одному из двух кубитов в квантовом холодильнике, перекачивая тепло от целевого кубита ко второму. Второй кубит, находящийся в холодной среде, термализуется, принимая на себя тепло. — Объясняет Николь Юнгер Халперн из Университета Мэриленда, соавтор исследования.
Система полностью автономна: после запуска работает без вмешательства и получает энергию от тепла, образующегося из-за температурной разницы между двумя тепловыми ваннами. Не нужно проводить капитальный ремонт квантового компьютера или подключать новые провода. Это открывает путь к созданию более надежных и точных квантовых вычислений, которые потребляют меньше материальных ресурсов. », — говорит Али Аамир.
Точность 99,97 %
Система понизила температуру целевого кубита до 22 милликельвин и добилась точности в 99,97 %. Предыдущие методы охлаждения обеспечивали точность от 99,8 до 99,92 %. Хотя это кажется небольшим отличием, многократные расчеты показывают существенное повышение производительности квантовых компьютеров. », — говорит эксперт.
Результаты подтверждают идею автономных квантовых тепловых технологий и открывают возможности для экспериментов по многим смежным проектам, прежде заблокированным из-за недостатков, теперь преодоленных. К ним относятся автономные квантовые двигатели, часы и компьютеры с автономными функциями, управляемыми разницей температур. Сейчас команда рассматривает дальнейшее развитие эксперимента.