
Новый квантовый холодильник - квадратный чип в центре медного корпуса - основан на использовании сверхпроводящих цепей и питается теплом из окружающей среды. Иллюстрация показывает, как холодильник использует взаимодействие между кубитами, а именно между охлаждаемым кубитом и двумя вспомогательными кубитами, которые обеспечивают охлаждение. Холодильник работает благодаря потокам энергии, вызванным температурными разницами между различными квантовыми системами.
Квантовым компьютерам требуется экстремально низкая температура для выполнения надежных вычислений. Одной из главных проблем на пути к развитию квантовых компьютеров остается сложность охлаждения их компонентов до температуры, близкой к абсолютному нулю. Однако исследователи из Технического университета Чалмерса и Университета Мэриленда разработали минимальный автономный холодильник, способный охлаждать сверхпроводящие кубиты до рекордно низких температур, что открывает путь к более надежным квантовым вычислениям.
Квантовые компьютеры обладают потенциалом для революции в ключевых технологиях в различных областях, таких как медицина, энергетика, криптография, искусственный интеллект и логистика. В отличие от классических компьютеров, где биты могут принимать значения 1 или 0, кубиты в квантовых компьютерах могут находиться в суперпозиции состояний 1 и 0 одновременно. Это позволяет квантовым компьютерам выполнять параллельные вычисления с огромным потенциалом производительности. Однако высокая вероятность ошибок в квантовых вычислениях по-прежнему ограничивает их продолжительность работы.
По словам Аамира Али, исследователя в области квантовых технологий в Чалмерсе и ведущего автора статьи, опубликованной в Nature Physics, кубиты крайне чувствительны к внешним воздействиям.
«Слабые электромагнитные волны, проникающие в компьютер, могут случайным образом изменять значение кубита, вызывая ошибки, которые останавливают квантовые вычисления», - поясняет Али.
Квантовые компьютеры, основанные на сверхпроводящих цепях, способны передавать электричество без сопротивления и эффективно хранить информацию. Однако для того, чтобы кубиты работали без ошибок и дольше, их необходимо охлаждать до температуры, близкой к абсолютному нулю (-273,15 °C). В настоящее время для охлаждения квантовых компьютеров используют криостаты, которые с помощью гелия могут снижать температуру до -273,1 °C. Достижение абсолютного нуля физически невозможно, но новый квантовый холодильник способен дополнить работу современных криостатов, охладив системы на несколько сотых градуса ниже и достигнув рекордных температур для сверхпроводящих кубитов.
«Квантовый холодильник основан на сверхпроводящих цепях и питается теплом из окружающей среды, что делает его автономным. Он может охлаждать кубиты до примерно -273,13 °C. Это открывает путь к более надежным и безошибочным квантовым вычислениям и уменьшает нагрузку на оборудование», - отмечает Аамир Али.
Квантовый холодильник использует взаимодействие между кубитами - в частности, между охлаждаемым кубитом и двумя вспомогательными кубитами, обеспечивающими охлаждение. Устройство работает автономно и после запуска не требует внешнего вмешательства.
«Наша работа, без сомнения, является первым примером демонстрации автономной квантовой тепловой машины, выполняющей практически полезную задачу. Первоначально этот эксперимент задумывался как концептуальная проверка, поэтому нас приятно удивило, что квантовый холодильник продемонстрировал беспрецедентную производительность и смог охладить кубит до рекордно низкой температуры», - говорит Симоне Гаспаринетти, доцент Чалмерса и руководитель исследования.
Исследование под названием Thermally driven quantum refrigerator autonomously resets superconducting qubit опубликовано в научном журнале Nature Physics. Минимальный квантовый холодильник, который умещается на небольшом чипе, был изготовлен в лаборатории нанофабрики Myfab Технического университета Чалмерса.
Исследовательская группа включает Мохаммеда Али Аамира, Симоне Гаспаринетти, Клаудию Кастильо-Морено и Пола Жаме Сурия из отдела микротехнологий и наноисследований Чалмерса, а также Николь Юнгер Халперн, Хосе Антонио Марина Гусмана и Джеффри М. Эпштейна из Объединенного центра квантовой информации и компьютерных наук (NIST), Университета Мэриленда и Института физической науки и технологий Университета Мэриленда, США.
Исследование поддержано Шведским научным советом, Фондом Кнута и Алис Валленберг через Центр квантовых технологий Валленберга (WACQT), проектом Quantum Flagship ASPECTS, ERC ESQuAT, Национальным научным фондом и Фондом Джона Темплтона.