Физики создали автономный холодильник с тепловой ванной для квантовых компьютеров

Чем ниже температура кубитов в квантовом компьютере, тем эффективнее он проводит вычисления. С приближением к абсолютному нулю охлаждение на каждый милликельвин дается ученым все сложнее. Команда исследователей создала новый тип холодильника для квантовых компьютеров, способный работать автономно после запуска.

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.