Физики создали автономный холодильник с тепловой ванной для квантовых компьютеров

Квантовые компьютеры имеют потенциал революционизировать медицину, энергетику, шифрование, искусственный интеллект и логистику. Базовые вычислительные блоки классического компьютера — биты — могут принимать значения 0 или 1. Самые распространенные вычислительные блоки в квантовых компьютерах — кубиты — могут принимать значение 0 и 1 одновременно.

Это явление называется суперпозицией. Благодаря ему квантовый компьютер может выполнять вычисления намного быстрее классического. Однако квантовым компьютерам приходится тратить много времени на проверку и исправление ошибок вычислений.

«Кубиты, строительные блоки квантового компьютера, гиперчувствительны к своему окружению. Даже крайне слабые электромагнитные помехи, проникающие в систему, могут случайным образом изменить значение кубита, вызывая ошибки и, как следствие, мешая квантовым вычислениям», — 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.

Сегодня для охлаждения квантовых компьютеров используют холодильники на основе разведения. Такая система способная охладить кубиты примерно до 50 милликельвинов (минус 273,1 градуса Цельсия). Чем ближе к абсолютному нулю ученым удается охладить систему, тем сложнее продолжить охлаждение.

Исследователи из Технического университета Чалмерса (Швеция) и Университета Мэриленда (США) разработали новый тип холодильника, который может автономно охлаждать сверхпроводящие кубиты до рекордно низких температур. Статья о новом типе холодильника опубликована в журнале Nature Physics.

Новый квантовый холодильник может охлаждать целевой кубит до 22 милликельвинов без внешнего контроля. Созданная физиками система использует взаимодействия между различными кубитами. В нее входят целевой кубит, который нужно охладить, и два кубита для охлаждения. Рядом с одним из кубитов создается теплая среда, которая служит горячей тепловой ванной: она передает энергию одному из сверхпроводящих кубитов квантового холодильника, делает его теплым и приводит холодильник в действие.

«Энергия от тепловой среды, передаваемая через теплый кубит квантового холодильника, перекачивает тепло от целевого кубита в холодный кубит квантового холодильника. Холодный кубит холодильника затем охлаждается до температуры среды вне тепловой ванны. Холодный кубит холодильника сбрасывается тепло целевого кубита», — объяснил Николь Юнжер Халперн (Nicole Yunger Halpern), профессор физики в Университете Мэриленда (США).

Система автономна: после запуска она работает без внешнего контроля и питается от тепла, которое естественным образом возникает из-за температурной разницы между двумя тепловыми областями.

С помощью нового метода ученые смогли повысить вероятность того, что кубит 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.